Der UMC 0.18 Design Flow am Beispiel eines PDA ... - Mpc.belwue.de

Dimensionierung und Entwurfszentrierung analoger Schaltungen mit WiCkeD
Bild 11: Undimensionierter vollsymmetrischer Operationsverstärker
4. Anwendung am Beispiel eines
vollsymmetrischen OPV
4.1. Einführung
In einer früheren Arbeit wurde eine manuelle Dimensionierung
eines volllsymmetrischen OPV durchgeführt.
Aufgrund der schweren analytischen Fassbarkeit
der Topologie war die Dimensionierung mit einem
hohen Zeitaufwand verbunden. Ausgehend von Minimalstrukturen
soll mit WiCkeD eine automatische Dimensionierung
dieser komplexen Schaltung bei gleicher
Spezifikation durchgeführt und die so erzielten
neuen Ergebnisse mit den alten verglichen werden.
So kann auch eine Aussage darüber getroffen werden,
inwieweit WiCkeD fähig ist, mit komplexeren Topologien
umzugehen. Die in Bild 11 dargestellte Topologie
findet vor allem in differentiellen Systemen
Einsatz, deren Grundlagen in [4, 5] ausführlich beschrieben
sind. Die Schaltung lässt sich prinzipiell in
einen Eingangsverstärker (gefaltete Kaskode) und eine
Gleichtaktregelung zerlegen; dadurch entsteht ein
rückgekoppeltes System, das Gleichtaktschwankungen
am Ausgang unterdrücken soll. Unter Ausnutzung
des Miller-Effekts sind Kapazitäten eingefügt, die eine
Stabilisierung der Gleichtaktregelung bewirken. Um
den Ausgangsknoten nicht zu belasten, wurde die
Gleichtaktregelung über Impedanzwandler (Sourcefolger)
entkoppelt. Die Schaltung umfasst 37 Bauelemente
(35 Transistoren, 2 Kapazitäten) und damit 72
Designvariablen. Diese Anzahl ist deutlich zu hoch, so
dass es später nötig sein wird durch Symmetrieüberlegungen
Variablen zu eliminieren.
4.2. Testbench und Performances
Die in Bild 12 dargestellte Testbench zeigt den OPV
in einer SC-Integrator-Umgebung, wie sie z.B. in Sigma-Delta-AD-Wandlern
Anwendung findet. Über Simulationsschalter
müssen auch hier simulationsspezifische
Verdrahtungen eingerichtet werden. So
muss bei Transient-Simulationen rückgekoppelt werden.
Die Realisierung der symmetrischen Ansteuerung
darf nicht über zwei AC-Quellen, sondern muss
über eine erfolgen, da jede Übertragungsfunktion nur
eine Bezugsquelle am Eingang besitzen darf. Das
Signal wird über ideale Verstärker auf die beiden Eingänge
INP und INN verteilt. Die Versorgungsspannung
V DD beträgt 3,3 V, V SS beträgt 0 V. Um WiCkeD
bei der Dimensionierung der Ruheströme möglichst
freien Raum zu lassen, wird der Knoten VR auf 3,3 V
gelegt. Der vom Benutzer gewünschte Gleichtakt am
Ausgang muss an VCMO angelegt werden, in den allermeisten
Fällen wird es sich um V DD /2 (1,65 V) handeln.
Die Zeitkonstante des SC-Integrators wird über
das Verhältnis von C 8 zu C 5 bzw. C 9 zu C 4 bestimmt.
Die Kapazitäten wurden nach der ursprünglichen Dimensionierung
mit 500 fF angesetzt. Die Pulsflanken
der Pulsansteuerung der idealen SC-Schalter werden
mit einer Schutzzeit von 1 ns betrieben. Um die Performances
numerisch berechnen zu können, muss
wiederum auf das OCEAN-Skript zurückgegriffen
werden. Tabelle 4 zeigt zunächst alle aus der alten
Spezifikation übernommenen Performances, sowie
einige weitere, deren Bedeutungen im Folgenden erläutert
werden. Verstärkung, Stromaufnahme, Transitfrequenz,
Phasenreserve und Thermic Noise bedürfen
hingegen keiner weiteren Erläuterung.
MPC-Workshop, Juli 2009
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