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谐波,设计起来不容易

已有 3752 次阅读| 2015-8-29 21:45 |个人分类:模拟电路设计

在模拟电路设计的各个参数里,我对谐波是最没有底的。首先,影响谐波的因素很多。针对不同的情况,需要区别不同的因素。对于opa这种,一般包括开环特性自身引入的,以及环路增益可以抑制的两部分。例如,如果opa自己带重负载很吃力,输出级的vgs很大才能提供足够的电路到输出,自然谐波特性比不上大输出级的。而前级增益越大自然也越容易在环路中通过反馈消除谐波。对于ota这种,则基本是开环特性。对于开关电容采样,则采样自身引入的谐波就与很多因素有关,例如开关的电阻是否与信号有关,采样的时刻是否与信号有关,采样时注入的电荷是否与信号有关等等。而针对da这种,又需要考虑在纯数字转到模拟时输出电阻,时序等等引入的谐波。针对不同的情况我们就需要了解谐波的来源才能做到有的放矢,因素很多,并且越是指标要求高,参与影响的因素就越多。很多在低指标下无关紧要的因素在高指标下就变成关键路径了。这些因素又是符合木桶定律的,即最短板的地方限制了系统的谐波特性。所以如果谐波不好,拼命提高其他参数无济于事。我印象最深的一件事就是有一次做带电阻负载的运放,谐波挺差只有50dB。当时找了一圈原因没找到,怀疑模型有问题,就把输出级加大。仿真看性能提升了不少,但实际测试只提升了一点。最后才发现是反馈点在版图中有轻微的寄生。虽然版图上只寄生了很小的电阻,但是由于负载和输出级本身电阻也不大,因此推算下来和实测很一致,最后也通过实验证实了这个怀疑。
其次,谐波本身是一个非线性的特性,因此各个因素之间存在耦合也并不奇怪。我以前有个推理,就是假设输出是理想的RC低通,那么如果采样也理想,那么理论上不会有任何问题,因为这可以等效为一个非常理想的线性电路。而线性电路是没有谐波存在的。但是这个推理在实践中是有很大问题的。这是由于推理过程中认为采样也很理想。如果采样有非线性的因素,而输出是低通,那么采样的非线性与理想的RC配合就会产生谐波。可能在设计中单独考虑各个因素都没问题了,但是当合起来之后就有了问题。或者在设计中没有任何问题,但在实际中却由于有没有考虑到的非理想因素导致新的问题。
最后,不得不说说数值方面的问题。前面的讨论也许都没有任何问题了,但是谐波是多少,仍然对这个没有任何的概念。顶多说应该不错或者应该有改善,但是具体数值,是很难事先掌握的。这是由于分析谐波时的思考方式与其他参数不同。其他很多参数都可以用线性电路的分析方法得出,有一套成熟技术。谐波必然是非线性过程的产物,而非线性过程是没有什么套路可用的。例如噪声虽然是随机过程,但是可以套用线性过程的计算方法,因此输入多少输出很容易计算出是多少,只是工作量的问题。谐波却不行。有人尝试做各种事先估计,例如用opa的增益变化来估计谐波,或者用简单的关系式代替具体的非线性关系来推算。不过这些方法的精度比我们对其他性能参数的估计能力差的多。所以瞬态仿真非常重要。但是仿真结果却非常的不靠谱。例如运放谐波与增益有密切关系,但是平时我们仿真的增益只要差不多精度就够了,因为我们几乎不用开环的增益做具体事情,都是用闭环的结果,所以增益仿真即使差20dB,从100变到80,我觉得几乎没有人测试或者注意到。但是对谐波测试就很明显的变化出现了。而增益的仿真也许也是不靠谱之一,因为IV曲线的拟合优先考虑曲线本身的误差,而增益却依赖于曲线的斜率。另外,谐波对数值计算的误差也非常敏感,选用不同的步长不同的简化算法,谐波几乎可以变化几十dB。因此必须学会区分数值计算带来的谐波和电路自身的谐波。EDA工具自己也尝试解决一些问题,例如spectre就有专门的分析用于谐波,比自己控制步长更可靠。不过很多时候还是不够用。谐波仿真依附于瞬态仿真,有时候速度过慢,每次结果不理想需要修改电路就很浪费时间。
有了这些限制,感觉谐波的设计定性多于定量,细节才是魔鬼,指标要求越高,对细节的要求对电路的理解就越重要。和其他参数的设计比,谐波优化更像绣花的精细活。

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发表评论 评论 (3 个评论)

回复 nanke 2015-9-25 14:13
我最近也碰到这个问题,在开关电容中用低增益运放+校正代替传统的高增益运放,增益非线性会引入谐波,想从理论或者建一个模型来推导运放增益A(Vin)与闭环增益G(vin)的关系,已知G~vin曲线很就可以容易得到开关电容的SNDR.但是第一步从A~vin推导G~vin,感觉无从下手,不知道您有什么建议!
回复 gaojun927 2015-9-27 18:43
从开环的A到闭环的G,razavi的第13章举了一个例子可以作为参考。他的例子是知道了开环的传输函数y=f(in),求闭环传输函数G。而增益A则可以认为是传输函数f的导数。根据这个关系应该能将A和G联系起来。当然具体分析起来,还有开关电容电路与连续电路的差异,A与频率也有关系,如何考虑等等细节。所以要认真讨论起来也是不少内容的。

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