¿Por qué el oscilador de anillo muestra un gráfico irregular?
Anklon
Estoy tratando de diseñar un oscilador de anillo en CADENCE usando 180 CMOS. En lugar de mostrar una salida de reloj invertida, la salida cambia en rangos de menos de milivoltios. Cuando conecto solo 9 inversores como este esquema:
El gráfico de salida para los últimos 3 nodos es así:
La vista ampliada de este gráfico es:
estos cambios ocurren en menos de nanovoltios, lo que debe considerarse nada más que ruido (supongo)
Si aumento significativamente la cantidad de CMOS (45 CMOS), entonces este gráfico se convierte en esto donde la variación aún no cruza el rango de milivoltios:
No hice ningún cálculo para esto, ya que para un propósito de simulación, pensé que no sería necesario. No estoy buscando ninguna frecuencia específica en este momento. Siempre que el mosfet sea suficiente para el diseño de la muestra.
¿Dónde podría cometer errores? ¿Qué tipo de cálculo debo hacer rápidamente para diseñar correctamente este oscilador de anillo?
Respuestas (1)
broma
No tengo acceso a CADENCE.
Pero lo primero que me llama la atención de inmediato es que el ancho de su PMOS debe ser el doble (¿o más?) El ancho de su NMOS debido a la movilidad. Probablemente desee 20:1 en PMOS y 10:1 en NMOS, o algo así. Así que al usar para su NMOS luego use para su PMOS.
Aparte de eso, todavía no veo otros problemas. Pero tampoco tengo tus modelos y niveles. (Solo uso LTspice).
Aquí hay un ejemplo de mi carrera usando 9 etapas:
Aquí está el esquema en LTspice que usé:
Otra posibilidad son los modelos subyacentes que está utilizando. Los modelos detallados que estoy usando están aquí:
.model N_50n nmos level = 54
+binunit = 1 paramchk= 1 mobmod = 0
+capmod = 2 igcmod = 1 igbmod = 1 geomod = 0
+diomod = 1 rdsmod = 0 rbodymod= 1 rgatemod= 1
+permod = 1 acnqsmod= 0 trnqsmod= 0
+tnom = 27 toxe = 1.4e-009 toxp = 7e-010 toxm = 1.4e-009
+epsrox = 3.9 wint = 5e-009 lint = 1.2e-008
+ll = 0 wl = 0 lln = 1 wln = 1
+lw = 0 ww = 0 lwn = 1 wwn = 1
+lwl = 0 wwl = 0 xpart = 0 toxref = 1.4e-009
+vth0 = 0.22 k1 = 0.35 k2 = 0.05 k3 = 0
+k3b = 0 w0 = 2.5e-006 dvt0 = 2.8 dvt1 = 0.52
+dvt2 = -0.032 dvt0w = 0 dvt1w = 0 dvt2w = 0
+dsub = 2 minv = 0.05 voffl = 0 dvtp0 = 1e-007
+dvtp1 = 0.05 lpe0 = 5.75e-008 lpeb = 2.3e-010 xj = 2e-008
+ngate = 5e+020 ndep = 2.8e+018 nsd = 1e+020 phin = 0
+cdsc = 0.0002 cdscb = 0 cdscd = 0 cit = 0
+voff = -0.15 nfactor = 1.2 eta0 = 0.15 etab = 0
+vfb = -0.55 u0 = 0.032 ua = 1.6e-010 ub = 1.1e-017
+uc = -3e-011 vsat = 1.1e+005 a0 = 2 ags = 1e-020
+a1 = 0 a2 = 1 b0 = -1e-020 b1 = 0
+keta = 0.04 dwg = 0 dwb = 0 pclm = 0.18
+pdiblc1 = 0.028 pdiblc2 = 0.022 pdiblcb = -0.005 drout = 0.45
+pvag = 1e-020 delta = 0.01 pscbe1 = 8.14e+008 pscbe2 = 1e-007
+fprout = 0.2 pdits = 0.2 pditsd = 0.23 pditsl = 2.3e+006
+rsh = 3 rdsw = 150 rsw = 150 rdw = 150
+rdswmin = 0 rdwmin = 0 rswmin = 0 prwg = 0
+prwb = 6.8e-011 wr = 1 alpha0 = 0.074 alpha1 = 0.005
+beta0 = 30 agidl = 0.0002 bgidl = 2.1e+009 cgidl = 0.0002
+egidl = 0.8
+aigbacc = 0.012 bigbacc = 0.0028 cigbacc = 0.002
+nigbacc = 1 aigbinv = 0.014 bigbinv = 0.004 cigbinv = 0.004
+eigbinv = 1.1 nigbinv = 3 aigc = 0.017 bigc = 0.0028
+cigc = 0.002 aigsd = 0.017 bigsd = 0.0028 cigsd = 0.002
+nigc = 1 poxedge = 1 pigcd = 1 ntox = 1
+xrcrg1 = 12 xrcrg2 = 5
+cgso = 6.238e-010 cgdo = 6.238e-010 cgbo = 2.56e-011 cgdl = 2.495e-10
+cgsl = 2.495e-10 ckappas = 0.02 ckappad = 0.02 acde = 1
+moin = 15 noff = 0.9 voffcv = 0.02
+kt1 = -0.21 kt1l = 0.0 kt2 = -0.042 ute = -1.5
+ua1 = 1e-009 ub1 = -3.5e-019 uc1 = 0 prt = 0
+at = 53000
+fnoimod = 1 tnoimod = 0
+jss = 0.0001 jsws = 1e-011 jswgs = 1e-010 njs = 1
+ijthsfwd= 0.01 ijthsrev= 0.001 bvs = 10 xjbvs = 1
+jsd = 0.0001 jswd = 1e-011 jswgd = 1e-010 njd = 1
+ijthdfwd= 0.01 ijthdrev= 0.001 bvd = 10 xjbvd = 1
+pbs = 1 cjs = 0.0005 mjs = 0.5 pbsws = 1
+cjsws = 5e-010 mjsws = 0.33 pbswgs = 1 cjswgs = 5e-010
+mjswgs = 0.33 pbd = 1 cjd = 0.0005 mjd = 0.5
+pbswd = 1 cjswd = 5e-010 mjswd = 0.33 pbswgd = 1
+cjswgd = 5e-010 mjswgd = 0.33 tpb = 0.005 tcj = 0.001
+tpbsw = 0.005 tcjsw = 0.001 tpbswg = 0.005 tcjswg = 0.001
+xtis = 3 xtid = 3
+dmcg = 0e-006 dmci = 0e-006 dmdg = 0e-006 dmcgt = 0e-007
+dwj = 0e-008 xgw = 0e-007 xgl = 0e-008
+rshg = 0.4 gbmin = 1e-010 rbpb = 5 rbpd = 15
+rbps = 15 rbdb = 15 rbsb = 15 ngcon = 1
*
.model P_50n pmos level = 54
+binunit = 1 paramchk= 1 mobmod = 0
+capmod = 2 igcmod = 1 igbmod = 1 geomod = 0
+diomod = 1 rdsmod = 0 rbodymod= 1 rgatemod= 1
+permod = 1 acnqsmod= 0 trnqsmod= 0
+tnom = 27 toxe = 1.4e-009 toxp = 7e-010 toxm = 1.4e-009
+epsrox = 3.9 wint = 5e-009 lint = 1.2e-008
+ll = 0 wl = 0 lln = 1 wln = 1
+lw = 0 ww = 0 lwn = 1 wwn = 1
+lwl = 0 wwl = 0 xpart = 0 toxref = 1.4e-009
+vth0 = -0.22 k1 = 0.39 k2 = 0.05 k3 = 0
+k3b = 0 w0 = 2.5e-006 dvt0 = 3.9 dvt1 = 0.635
+dvt2 = -0.032 dvt0w = 0 dvt1w = 0 dvt2w = 0
+dsub = 0.7 minv = 0.05 voffl = 0 dvtp0 = 0.5e-008
+dvtp1 = 0.05 lpe0 = 5.75e-008 lpeb = 2.3e-010 xj = 2e-008
+ngate = 5e+020 ndep = 2.8e+018 nsd = 1e+020 phin = 0
+cdsc = 0.000258 cdscb = 0 cdscd = 6.1e-008 cit = 0
+voff = -0.15 nfactor = 2 eta0 = 0.15 etab = 0
+vfb = 0.55 u0 = 0.0095 ua = 1.6e-009 ub = 8e-018
+uc = 4.6e-013 vsat = 90000 a0 = 1.2 ags = 1e-020
+a1 = 0 a2 = 1 b0 = -1e-020 b1 = 0
+keta = -0.047 dwg = 0 dwb = 0 pclm = 0.55
+pdiblc1 = 0.03 pdiblc2 = 0.0055 pdiblcb = 3.4e-008 drout = 0.56
+pvag = 1e-020 delta = 0.014 pscbe1 = 8.14e+008 pscbe2 = 9.58e-007
+fprout = 0.2 pdits = 0.2 pditsd = 0.23 pditsl = 2.3e+006
+rsh = 3 rdsw = 250 rsw = 160 rdw = 160
+rdswmin = 0 rdwmin = 0 rswmin = 0 prwg = 3.22e-008
+prwb = 6.8e-011 wr = 1 alpha0 = 0.074 alpha1 = 0.005
+beta0 = 30 agidl = 0.0002 bgidl = 2.1e+009 cgidl = 0.0002
+egidl = 0.8
+aigbacc = 0.012 bigbacc = 0.0028 cigbacc = 0.002
+nigbacc = 1 aigbinv = 0.014 bigbinv = 0.004 cigbinv = 0.004
+eigbinv = 1.1 nigbinv = 3 aigc = 0.69 bigc = 0.0012
+cigc = 0.0008 aigsd = 0.0087 bigsd = 0.0012 cigsd = 0.0008
+nigc = 1 poxedge = 1 pigcd = 1 ntox = 1
+xrcrg1 = 12 xrcrg2 = 5
+cgso = 7.43e-010 cgdo = 7.43e-010 cgbo = 2.56e-011 cgdl = 1e-014
+cgsl = 1e-014 ckappas = 0.5 ckappad = 0.5 acde = 1
+moin = 15 noff = 0.9 voffcv = 0.02
+kt1 = -0.19 kt1l = 0 kt2 = -0.052 ute = -1.5
+ua1 = -1e-009 ub1 = 2e-018 uc1 = 0 prt = 0
+at = 33000
+fnoimod = 1 tnoimod = 0
+jss = 0.0001 jsws = 1e-011 jswgs = 1e-010 njs = 1
+ijthsfwd= 0.01 ijthsrev= 0.001 bvs = 10 xjbvs = 1
+jsd = 0.0001 jswd = 1e-011 jswgd = 1e-010 njd = 1
+ijthdfwd= 0.01 ijthdrev= 0.001 bvd = 10 xjbvd = 1
+pbs = 1 cjs = 0.0005 mjs = 0.5 pbsws = 1
+cjsws = 5e-010 mjsws = 0.33 pbswgs = 1 cjswgs = 5e-010
+mjswgs = 0.33 pbd = 1 cjd = 0.0005 mjd = 0.5
+pbswd = 1 cjswd = 5e-010 mjswd = 0.33 pbswgd = 1
+cjswgd = 5e-010 mjswgd = 0.33 tpb = 0.005 tcj = 0.001
+tpbsw = 0.005 tcjsw = 0.001 tpbswg = 0.005 tcjswg = 0.001
+xtis = 3 xtid = 3
+dmcg = 0e-006 dmci = 0e-006 dmdg = 0e-006 dmcgt = 0e-007
+dwj = 0e-008 xgw = 0e-007 xgl = 0e-008
+rshg = 0.4 gbmin = 1e-010 rbpb = 5 rbpd = 15
+rbps = 15 rbdb = 15 rbsb = 15 ngcon = 1
Lo otro es dar las condiciones iniciales a la CADENCIA. Configuré el nodo llamado Osc en un voltio, para comenzar.
LTspice es un poco diferente en su funcionamiento, internamente. Así que podría ser otra cosa.
Anklon
Gracias por todos los problemas por los que has pasado. Pero probé 2: 1 PMOS: relación de longitud de puerta NMOS pero no ayudó. Más tarde descubrí que es un problema para la configuración de la condición inicial. Pero mi preocupación es que, en el caso práctico, no pude establecer valores iniciales todo el tiempo. Entonces, ¿hacer cumplir la condición inicial creará problemas?
broma
@Anklon Con .tran en Spice, resulta que el método de integración en sí mismo puede afectar la Q del sistema y, cuando se usan pasos de tiempo normales, el método Gear tiende a sobreamortiguar la respuesta, mientras que el método trap tiende justo al contrario. Una parte notable de LTspice es que utiliza un método de integración trapezoidal especialmente modificado que es absolutamente único en mi conocimiento. Es completamente neutral en este sentido. Ningún otro SPICE lo hace de esta manera y, debido a esto, tengo muchos menos problemas con el inicio del oscilador usando LTSpice y su método de integración de trampa modificado.
broma
@Anklon En el fondo de mi mente, hay algo más sobre LTspice que ayuda... algo que tiene que ver con tratar de salir de las áreas mínimas/máximas locales. No fue recocido simulado. Era algo más. Pero también le dio a LTspice una ventaja única para los osciladores. Pero ya no puedo recordar la referencia y realmente no puedo decir si mi memoria es precisa en este punto. Pero sí sé que todos los simuladores de Spice tienen problemas aquí y técnicas que deben aplicarse para salir de los "bolsillos" locales y que, por lo general, vale la pena probar LTspice si tiene problemas aquí. También es gratis.
broma
@Anklon No creo que agregar una condición inicial le cause ningún problema y creo que resolverá los problemas. Así que úsalo cuando funcione para ti. LTspice se inicia con y sin él. La única diferencia es la fase relativa a
.
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