7. Esercitazione Cascode

Vdd
Specchio cascode low-voltage
 Per limitare la caduta di tensione
I1
sullo specchio, ovvero eliminare il
compromesso tra accuratezza e
output swing, abbiamo studiatola
rete di polarizzazione del circuito
cascode illustrata in figura.
 Abbiamo anche stabilito che M1 e
M2 funzionano in saturazione se
l’overdrive su M2 è inferiore ad una
soglia
 Rimane da introdurre un’ulteriore
ramo di polarizzazione per la
generazione della tensione Vb
b
M2
NMOSEN W,L
M1
NMOSEN W,L
Caratteristica di trasferimento
 La caratteristica di
trasferimento, confrontata
con quella di uno specchio
cascode semplice, mostra
l’assenza della zona in cui
uno solo dei due mosfet
era in zona di triodo.
 Infatti, essendo polarizzati
alla Vds minima, i
dispositivi entrano
simultaneamente in zona di
triodo e rendono così
minima la spesa in termini
di caduta di tensione sullo
specchio
 La tensione Vb, che deve
garainter gli overdrive dei
mosfet di uscita ed anche la
soglia del mosfet cascode, la si
genera con un ulteriore ramo di
autopolarizzazione
Vdd
Generazione di Vb
I1
M3
NMOSEN W,L
 Sul mosfet M1la tensione
VDS=VGS
M2
NMOSEN W,L
 Sul mosfet M2 la tensione
VDS<VGS dal momento che va
tenuta in conto anche la caduta
su M3
M1
NMOSEN W,L
(continua)
dimensiona M3 in maniera
che la sua VGS=VDS sia
circa pari a VT (come?)
 In questo modo M2 è
polarizzato al bordo della
zona di pinch-off e si ha:
Vdd
 In particolare si
I1
M3
NMOSEN W,L
Vb  Vgs 2  VTH  Vgs1 
Vgs 2  VTH  Vgs1  VTH  VTH
Vov 2
Vov1
Vb
M2
NMOSEN W,L
M1
NMOSEN W,L
Il circuito complessivo
Progetto di uno specchio
“low-voltage” cascode
 Progettare un generatore “low-voltage” da
50A che, inserito in un circuito con
alimentazione a 3.3V, mantenga la sua
corrente con una tensione minima sul nodo di
uscita di 0.3V.
 I MOSFET sono descritti da VTO=0.7V,
KP=100u, lambda=0.1
 Si trascurino, nel dimensionamento, effetto
body e modulazione del canale
Progetto dello stadio di uscita
.MODEL
.PARAM
.PARAM
.PARAM
1. Allocazione dell’overdrive.
1.
2.
3.
NMOSEN NMOS(VTO=0.7 KP=100u)
KP=100u I0=50u L0=0.5u Vov=0.6 Vov1=0.4 Vov2=Vo
K1=I0*2/(Vov1*Vov1) K2=I0*2/(Vov2*Vov2)
W1=K1/KP*L0
W2=K2/KP*L0 Vb1=Vov1+0.7 Vb2=Vov+0.
2
Dal momento che il Mosfet M
è quello che deve sopportare
le variazioni di tensione
maggiori, scegliamo di
suddividere gli overdrive in
maniera non simmetrica.
Ad esempio Vov1=0.1 e
Vov2=0.2
A questo punto, noti I valori di
Io, KP e L possiamo
determinare W1 e W2
attraverso la relazione ;op
di
.dc V1 0 3.3
pinch-off.
M2
V3
NMOSEN W={W2}, L={L0}
V1
{Vb2}
M1
V2
{Vb1}
0.01
1
NMOSEN W={W1}, L={L0}
Progetto dello stadio di uscita (II)
.MODEL
.PARAM
.PARAM
.PARAM
NMOSEN NMOS(VTO=0.7 KP=100u)
KP=100u I0=50u L0=0.5u Vov=0.6 Vov1=0.4 Vov2=Vov
K1=I0*2/(Vov1*Vov1) K2=I0*2/(Vov2*Vov2)
W1=K1/KP*L0 W2=K2/KP*L0 Vb1=Vov1+0.7 Vb2=Vov+0.7
1. Determinazione di Vb1 e Vb2
1. A partire da Vov1 la
determinazione di Vb1 è
immediata Vb1=Vov1+VTO
2. Vb2 è data dalla somma di
Vov1 e Vov2 (ovvero
l’overdrive totale) e VTO
3. Si ha quindi Vb1=0.1+0.7=0.8 e
Vb2=0.3+0.7=1.0
4. Verifichiamo con il simulatore
l’esattezza dei calcoli e
vediamo che effetto ha;opl’effetto
.dc V1 0 3.3
della modulazione del canale
M2
V3
NMOSEN W={W2}, L={L0}
V1
{Vb2}
M1
V2
{Vb1}
0.01
1
NMOSEN W={W1}, L={L0}
Determinazione di Vb1
.MODEL
.PARAM
.PARAM
.PARAM
.PARAM
.PARAM
.PARAM
NMOSEN NMOS(VTO=0.7 KP=100u lambda=1)
KP=100u I0=50u L0=0.5u Vov=0.5 Vov1=0.4 Vov4=Vov-Vov1
K1=I0*2/(Vov1*Vov1)
W1=K1/KP*L0 W2=K2/KP*L0
Vov3=Vov1 Vb2=Vov3+Vov4+0.7
K3=I0*2/(Vov3*Vov3) K4=I0*2/(Vov4*Vov4)
W3=K3/KP*L0 W4=K4/KP*L0 K2=I0*2/(Vov4*Vov4)
 Introduciamo il secondo ramo di polarizzazione del
circuito per determinare Vb1
I1
V2
V1
{I0}
3.3
0
M4
NMOSEN W={W4}, L={L0}
V3
M2
NMOSEN W={W2}, L={L0}
{Vb2}
M3
NMOSEN W={W3}, L={L0}
M1
NMOSEN W={W1}, L={L0}
.dc V1 0 3.3 0.0001
;op
 Per fare in modo che il ramo di polarizzazione generi
la tensione Vb1 di cui abbiamo bisogno, dovremo
scegliere Vov3=Vov1 e dimensionare M3 di
conseguenza
 Quello che resta dell’overdrive totale andrà speso su
M4. A questo punto potremo dimensionare M4 (Vb2
rimane la stessa di prima, ovviamente)
 Possiamo quindi dimensionare M2 in maniera che
Vov2=Vov4
 In definitiva, assegnati gli overdrive, M1=M3 e
M2=M4
La caratteristica di trasferimento
 La caratteristica di
trasferimento (verde) è
identica alla
precedente.
 Si vede anche come M1
e M2 entrino
simultaneamente in
triodo per Vout=0.6V
come avevamo
progettato
Determinazione di Vb2
 Il MOSFET M7 deve avere W/L
elevato in maniera che VgsVTH
 M6 deve Vds=Vgs4-VTH, ovvero
lo stesso overdrive di M4 e lo si
dimensiona a partire dalla
corrente I1
 M5 presenta una caduta
Vds=Vgs e lo si dimensiona a
paritre dall’overdrive di M3
 In definitiva
Vb2=Vgs5+Vds6=Vov3+VTH+Vg
s6-VTH=Vov3+Vov4+VTH
I2
{I1}
M7
NMOSEN W={100*L0}, L={L
M6
NMOSEN W={W6}, L={L0}
M5
NMOSEN W={W5}, L={L0}
Folded-cascode
 Utilizziamo il nostro
Vdd
circuito per polarizzare
l’amplificatore foldedcascode visto in
precedenza
Vdd
R
Vout
Vin
M1
M2
Vb
I1
Ibias