¿Cuál es la mejor metodología para diseñar diferentes amplificadores operacionales en tecnologías nanométricas?

Para el diseño OP-AMP, el parámetro más importante es la transconductancia (gm) de sus dispositivos. Determinará la mayoría de sus pequeños parámetros de señal, como el ancho de banda, las ubicaciones de los polos (para estabilidad), el ruido.

Suponiendo que el transistor esté saturado, esperamos que se comporte como un dispositivo de ley cuadrada. Sin embargo, la ley cuadrada rompe con un voltaje de sobremarcha por debajo de 150-200mv y se comporta cada vez más como un dispositivo de ley exponencial a medida que cae el voltaje de sobremarcha.

La forma habitual de abordarlo es caracterizar dispositivos de diferentes longitudes y trazar lo siguiente

  1. gm / ID vs Vov
  2. ID / W vs Vov

ID = corriente de drenaje, W = ancho, Vov = voltaje de sobremarcha

La primera curva idealmente debería verse como 2 / Vov de acuerdo con la ley cuadrática, pero la curva real comienza a aplanarse por debajo de cierto Vov -> Hay un límite al máximo de gm que puede obtener para una corriente dada.

Los pasos se verían así:

  1. Calcule gm que necesita para dispositivos críticos.
  2. Elija un Vov adecuado. Demasiado alto conduciría a una alta identificación. Demasiado bajo conduciría a un mayor W -> más área y más capacidades parásitas. Alrededor de 80-100mv es adecuado para la mayoría de los casos, pero eventualmente depende del circuito específico.
  3. Encuentra la identificación de la primera curva.
  4. Una vez que se determina la ID, encuentre W de la segunda curva.

Esto es solo preliminar y hay muchas más curvas que puede necesitar trazar según el parámetro que está tratando de optimizar. Busque la metodología “gm-ID” para obtener más información.

Rompería esta pregunta en varias partes y trataría de responder cada una.

1) ¿Es la metodología de diseño para amplificadores operacionales (o digamos circuitos analógicos) que las personas usan en tecnologías de sub-um profundo diferente de lo que las personas deberían usar en las últimas tecnologías nm?

UN:

Realmente no. La física no cambió y los cálculos del reverso de la envoltura tampoco cambiarán. Todavía considerarás los efectos de segundo orden de la misma manera que lo hacías antes.

En tecnologías recientes, tiene efectos más complejos debido a restricciones de diseño y tecnología, pero es muy difícil usar cálculos manuales para ellos. Por lo tanto, aún entendería su causa raíz, pero confiaría en que la fundición proporcione un modelo preciso para estos efectos.

2) ¿Cuáles son los desafíos para el diseño analógico (u opamp) en estas tecnologías profundas?

UN:

Existen algunos desafíos y limitaciones debido a la tecnología en sí. Esto incluye los efectos dependientes del diseño mencionados anteriormente, las dimensiones discretas que los diseñadores deberían usar, la escasa ganancia intrínseca a medida que pasa de una tecnología a otra, las limitaciones en el rango de suministro que puede usar si su diseño requiere alto voltaje … y así en. Una clave aquí es asegurarse de que conoce exactamente la región cubierta por sus modelos y tener mucho cuidado si su innovación se basa en dispositivos de polarización en regiones no cubiertas por el modelo. Si bien puede ver los resultados de la simulación funcionando, nunca obtendrá el rendimiento si el modelo no es compatible con su caso de uso.

Otro tipo de desafíos se debe al hecho de que su amplificador operacional está en una tecnología nm por una razón. No escalará mucho en el área son sus compañeros bloques digitales. En este caso, dado que el chip es casi dominante en los circuitos digitales, entonces debe asegurarse de que la integración no cause fallas en su diseño analógico. Puede haber más restricciones en el suministro, anillos de protección adicionales necesarios para aislar del ruido digital y muchos otros que se pueden descubrir cuando trabaja en soluciones de chip completo.

3) ¿Qué metodología debes usar?

UN:

De nuevo, no es realmente diferente de antes. Debe comprender las limitaciones de los modelos, las limitaciones de las opciones de dispositivos, hacer el método más simple e intuitivo para el cálculo manual, comprender las limitaciones de los dispositivos e intentar realizar alguna caracterización de cada dispositivo en simulación por sí mismo para obtener parámetros como gm / Id vs. Id, Ids vs. Vgs y Vds, y otras relaciones simples con diferentes geometrías de dispositivos. Comprenda cuándo ocurre la saturación por ancho de dispositivo. Verifique la definición de voltaje de umbral de acuerdo con la fundición … etc. Extraiga los parámetros para usarlos en sus cálculos manuales para obtener la mayor precisión posible. Una vez que se sienta cómodo con su conocimiento sobre la tecnología, siga adelante y haga un diseño simple, por ejemplo, un amplificador diferencial. Intente cascoding y vea qué ganancia obtiene de ella. Vea si esto coincide con la caracterización de su dispositivo anterior para la impedancia de salida y la ganancia intrínseca.

Finalmente, siga adelante y haga su diseño en pequeños pasos para comprender cómo funciona cada pieza, luego ensamble las piezas y ejecute simulaciones. Coincidirá con su intuición y su comprensión de la física y sabrá en qué dirección necesita ajustar la corriente, el tamaño del dispositivo, la carga … etc.

Aún no ha terminado, aún debe comprobar cómo le afectan las variaciones de PVT. Luego, para hacer que su diseño sea robusto, debe considerar la confiabilidad y los efectos del envejecimiento.

Esta respuesta no está completa y no está destinada a ser completa. El diseño analógico proviene de la comprensión de los conceptos básicos y la cantidad de experiencia que construye a partir de un diseño diferente y de siempre pensar en por qué o por qué no puede funcionar. Por lo tanto, no se sienta abrumado. Simplemente comience y construya una fuerte base e intuición. Llegarás ahí.

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