Analoge CMOS-Schaltungen

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1 Analoge CMOS-Schaltungen PSPICE: Optimizer zur Schaltungs-Optimierung 21. Vorlesung

2 Was ist "Optimizer"? -Schaltungs-Optimierungsprogramm -einer oder mehrere Ziel(Goal)-Funktionen -einer oder mehrere Parameter werden verändert -Voraussetzung: lauffähige Schaltung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 2

3 Was ist "Optimizer"? -mehrere Optimierungsverfahren ("engines"): -Modified LSQ (=Least Square) engine: eigentliche Optimierung -Random engine: zur Vermeidung von lokalen Minima einsetzbar -Discrete engine: nur kaufbare Bauelemente-Werte z.bsp. 5% 10% werden zur Optimierung verwendet (nach der eigentlichen Optimierung) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 3

4 Was ist "Optimizer"? -Optimierungsziele bei Modified LSQ (=Least Square) engine : -Goal (=Ziel) "Soll-Bedingung" -Constraint (=Bedingung) "Muß-Bedingung" -bei den anderen "engines" nur Goal!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 4

5 Beispiel: Diodenstrom über Widerstand Der Widerstand R1 soll so angepaßt werden, daß durch die Diode D1 ein Strom zwischen 0,95mA und 1,05mA fließt Analoge CMOS-Schaltungen Folie 5

6 Beispiel: Diodenstrom über Widerstand Der Widerstand R1 soll so angepaßt werden, daß durch die Diode D1 ein Strom zwischen 0,95mA und 1,05mA fließt Möglichkeit: R1 parameterisieren, über DCSweep/Parameter Sweep gewünschten Strom herausfinden Analoge CMOS-Schaltungen Folie 6

7 Beispiel: Diodenstrom über Widerstand Der Widerstand R1 soll so angepaßt werden, daß durch die Diode D1 ein Strom zwischen 0,95mA und 1,05mA fließt andere Möglichkeit: Optimizer verwenden!! Vorteil: weniger Simulationen nötig!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 7

8 Beispiel: Diodenstrom über Widerstand Der Widerstand R1 soll so angepaßt werden, daß durch die Diode D1 ein Strom zwischen 0,95mA und 1,05mA fließt 1. Schritt: Schaltung lauffähig? (z.bsp. Transiente Analyse Simulation Profile Name test) test_optimizer Analoge CMOS-Schaltungen Folie 8

9 PSPICE-Simulation Ergebnis: Schaltung lauffähig!! 650uA 600uA 550uA 500uA 450uA 400uA 350uA 300uA 250uA 200uA 0s 0.1us 0.2us 0.3us 0.4us 0.5us 0.6us 0.7us 0.8us 0.9us 1.0us I(D1) Time Analoge CMOS-Schaltungen Folie 9

10 PSPICE-Simulation PSPICE/Advanced Analysis/Optimizer Analoge CMOS-Schaltungen Folie 10

11 Ergebnis: PSPICE-Simulation auswählen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 11

12 PSPICE-Simulation R1 VALUE auswählen, OK: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 12

13 PSPICE-Simulation linker Maustaste auswählen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 13

14 Ergebnis: PSPICE-Simulation Analoge CMOS-Schaltungen Folie 14

15 Ergebnis: PSPICE-Simulation bei zwei oder mehr Messungen Auswahl Analoge CMOS-Schaltungen Folie 15

16 PSPICE-Simulation oder: rechter Maustaste auswählen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 16

17 Create New Measurement: PSPICE-Simulation Analoge CMOS-Schaltungen Folie 17

18 z.bsp.: Max(I(D1)), OK PSPICE-Simulation Analoge CMOS-Schaltungen Folie 18

19 PSPICE-Simulation Minimumwert und Maximumwerte des Diodenstrom eintragen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 19

20 Run, Start Optimizer PSPICE-Simulation oder Analoge CMOS-Schaltungen Folie 20

21 PSPICE-Simulation Ergebnis: den richtigen Widerstandswert nach nur 5 Iterationen!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 21

22 PSPICE-Simulation Optimizer: Übertragen in PSPICE Analoge CMOS-Schaltungen Folie 22

23 PSPICE-Simulation Optimizer: Übertragen in PSPICE Analoge CMOS-Schaltungen Folie 23

24 PSPICE-Simulation "Kaufbares" Ergebnis: Discrete dann Analoge CMOS-Schaltungen Folie 24

25 mit 5% Abweichung 4320kΩ PSPICE-Simulation Ergebnis speichern/nicht speichern Analoge CMOS-Schaltungen Folie 25

26 Beispiel: Miller Verstärker Phase Margin Frage: Was ist der Wert für C C für eine Phase margin PM 60?? Antwort:?? analog9 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 26

27 PSPICE-Simulation Evaluate Measurement-Leiste unter dem Simulationsergebnis C C C L 1nF Analoge CMOS-Schaltungen Folie 27

28 PSPICE-Simulation Import measurement Phase Margin ok Analoge CMOS-Schaltungen Folie 28

29 PSPICE-Simulation Parameter und Specifications eintragen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 29

30 PSPICE-Simulation Ergebnis: den richtigen Kapazitätswert nach nur 3 Iterationen!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 30

31 Beispiel: RC-Tiefpass-Filter Mixer Frage: Geben Sie einen Wert für das Filter-C für eine Unterdrückung der Additions- zu Differenzfrequenz von ungefähr 10? Antwort:?? analog_mixer_double_bal Analoge CMOS-Schaltungen Folie 31

32 PSPICE-Simulation Evaluate Measurement unter Fourier-Analyse nicht erlaubt!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 32

33 Beispiel: OTA mehrere Spezifikationen Frage: Ein OTA soll gleichzeitig optimiert werden auf : -Differenz-Verstärkung > 100 (Ziel "soll") -3dB-Frequenz > 5MHz (Ziel "soll") -Leistungsaufnahme < 1,5 mw (Bedingung "müssen") analog7 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 33

34 Beispiel: OTA mehrere Spezifikationen 1.Möglichkeit: Manuelle Optimierung Analog7opt Spezifikationen erfüllt? analog7opt Leistungsaufnahme 2,13 mw Differenz-Verstärkung 99,4 3dB-Frequenz 7,3 MHz Analoge CMOS-Schaltungen Folie 34

35 Operational Transconductance Amplifier OTA Optimierung des OTAs Frage: Optimieren Sie den OTA für hohe DC-Differenzverstärkung!! Antwort: W/L von M1 erhöhen, Biasstrom erniedrigen A DIFFDC Spezifikationen ungefähr erfüllt!! ,4 g 0, M1 2 k g N M, M1 N I g M1 ( W / L) I M1/ 2 0, M 2 ( W M1 / L) P M1 I I M 2 M1 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 35

36 Operational Transconductance Amplifier OTA Optimierung des OTAs Frage: Optimieren Sie den OTA für 3dB-Frequenz!! Antwort: Biasstrom erhöhen!! A DIFF A DIFFDC 1 1 j 2 Pol f Pol g0, M1 g0, M 2 N IM1 P IM 2 N P 0,5 IMB 1 C1 C1 C1 Spezifikationen übererfüllt!! 5 MHz < 7,34 MHz Biasstrom erniedrigen B Analoge CMOS-Schaltungen Folie 36

37 Operational Transconductance Amplifier OTA Optimierung des OTAs Frage: Optimieren Sie den OTA für niedrige Leistungsaufnahme!! Antwort: Biasstrom erniedrigen!! P V VDD I VDD Biasstrom erniedrigen Fazit aller Spezifikationen: Biasstrom durch Veringerung der Weite von MB1B erniedrigen!! z.bsp. von 550µm auf 350µm Analoge CMOS-Schaltungen Folie 37

38 Beispiel: OTA mehrere Spezifikationen 1.Möglichkeit: Manuelle Optimierung jetzt Spezifikationen erfüllt? analog7opt Leistungsaufnahme 1,51 mw Differenz-Verstärkung 101 3dB-Frequenz 4,87 MHz Analoge CMOS-Schaltungen Folie 38

39 Operational Transconductance Amplifier OTA Optimierung des OTAs nochmals Biasstrom durch Veringerung der Weite von MB12B erniedrigen!! z.bsp. von 350µm auf 340µm Analoge CMOS-Schaltungen Folie 39

40 Beispiel: OTA mehrere Spezifikationen 1.Möglichkeit: Manuelle Optimierung jetzt Spezifikationen erfüllt? analog7opt Leistungsaufnahme 1,47 mw Differenz-Verstärkung 101 3dB-Frequenz 4,74 MHz Analoge CMOS-Schaltungen Folie 40

41 Beispiel: OTA mehrere Spezifikationen 2.Möglichkeit: Automatische Optimierung mittels "Optimizer" analog7 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 41

42 Beispiel: OTA mehrere Spezifikationen 1. Schritt: Weiten von M1A/B und MB1B parameterisieren analog7_optimizier Analoge CMOS-Schaltungen Folie 42

43 Beispiel: OTA mehrere Spezifikationen 2. Schritt: Leistungsaufnahme Transientes Simulations Profile analog7_optimizier Analoge CMOS-Schaltungen Folie 43

44 Beispiel: OTA mehrere Spezifikationen 2. Schritt: Leistungsaufnahme Evaluate Measurement Max(-W(VDD)) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 44

45 Beispiel: OTA mehrere Spezifikationen 3. Schritt: PSPICE/Advanced Analysis/Optimizer Min/Max eventuell anpassen Goal: Ziel "sollen" Constraint: Bedingung "müssen" Analoge CMOS-Schaltungen Folie 45

46 Beispiel: OTA mehrere Spezifikationen Optimizer: Limit der Iterationen erreicht Analoge CMOS-Schaltungen Folie 46

47 Beispiel: OTA mehrere Spezifikationen Optimizer: Einstellungen verändern mit Default-Einstell-Parametern Analoge CMOS-Schaltungen Folie 47

48 Beispiel: OTA mehrere Spezifikationen Optimizer: Einstellungen verändern mit Einstell-Parametern Analoge CMOS-Schaltungen Folie 48

49 Beispiel: OTA mehrere Spezifikationen Optimizer: jetzt Limit 40, doch Optimierung abgebrochen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 49

50 Beispiel: OTA mehrere Spezifikationen manuelle Optimierung oder automatische Optimierung mittels Optimizer? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 50

51 Zusammenfassung -Schaltungs-Optimierungsprogramm -eine oder mehrere Ziel(Goal)-Funktionen -eine oder mehrere Parameter werden verändert -Voraussetzung: lauffähige Schaltung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 51

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