第四章 模擬結果
4-1 OTA Gm 的模擬
圖 4-1 為 Gm 的模擬方式，Gm 的大小可以分兩個部分考量，第一個部分為 Gm 在直流狀態下的結果；第二個部分為 Gm 和頻率的關係圖；在 Gm 在直流狀 態下的模擬結果，可觀察在DC 時 Gm 的值是否符合原來所預定的值和可大概預 估其線性範圍；在Gm 和頻率的關係圖方面，由於是以 Gm 來取代原來的 RLC 濾波器中的電阻和電感，不希望其大小在所需頻帶中有所改變，所以必須做此分 析來觀察Gm 和頻率的關係。
圖4-1 Gm 的模擬
圖 4-2 為Gm 的直流分析結果，可以估計其線性度範圍是 500mVp-p 當然這只是 預估，真實的線性度範圍要看系統需求，並做THD 的分析才可得知。
圖4-2 Gm 的直流分析結果
接下來是要考慮是否Gm∝VT，其原理說明請參考第三章，圖 4-3 為模擬架構，
圖 4-4 為模擬結果，由此可知Gm 和調整電壓 VT成線性關係
圖4-3 模擬Gm∝VT
圖4-4 Gm∝VT模擬結果
圖 4-5 為Gm 對頻率的關係圖，由於在規格中定義了濾波器頻寬為 8.3MHz 所以 在這個頻帶內其Gm 值要固定不變，由模擬結果得知其值在 30MHz 都符合此條 件。
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圖4-5 Gm 對頻率的關係圖
4-2 OTA 頻率響應(2p load)
由於在 IEEE802.11a 中規範，所需頻寬為 8.3MHz，所以其單一增益頻寬至 少要8.3MHz 以上，由模擬得知，其增益頻寬為 11MHz，在 2p load 的條件下。
其phase margin 為 90 度，見圖 4-6。
圖4-6 OTA 頻率響應(2p load)
4-3 Slew rate 模擬
在模擬電路的設計上，必須考量整體電路架構[7]，圖 4-7 為slew rate 的模 擬方式，圖 4-8 為其模擬結果，可以得slew rate=
us 7 V .
27 ，規格值為
us 7V . 26
圖4-7 slew rate 的模擬方式
圖4-8 slew rate 的模擬結果
4-4 調整電路模擬
調整電路的動作原理請參考第三章說明，在這裡直接介紹模擬方式，其模擬架構 如圖 4-9，圖中F 為調整電路，利用調整電路和一個 OTA 電阻來觀察是否可以 達到調整的效果圖4-10 為當 RT從10KΩ~20KΩ 時 Gm 的改變情形，在設計的過
Gm=1/R Gm-(1/R )的模擬結果，由結果得知，其最大的
第四章 模擬結果
誤差量為 1.2u。
圖4-9 調整電路模擬架構
圖4-10 調整電路模擬結果
圖4-11
RT
Gm− 1
4-5 等效電感模擬結果
圖 4-12 為模擬架構，其中-R 和 L 就利用 OTA 等效電路帶入，圖 4-13 為其模擬 結果，由圖 4-13 可以得到其等效的電感值，取上升部分中的一點，其計算方式 如下[3]：
R ) L j (
T ω =ω
ω ω
= R
) j ( T L
在這裡取頻率為1.88MHz 的地方，計算結果的到其電感值為 115uH，和所需電 感值111uH 足夠接近，也符合需求。
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圖4-12 等效電感模擬架構
圖4-13 等效電感模擬結果
4-6 全電路模擬結果
4-6-1 調整電路穩定時間
圖4-14 為完整的濾波器架構，包括輸入級、5 階低通濾波器、輸出級和調 整電路，圖4-15 為其模擬結果，由於調整電路是為了製程偏移而設計的，由模 擬得知其穩定時間約為20ns。
圖4-14 完整電路
圖4-15 濾波器穩定時間
4-6-2 頻率響應
圖4-16 為其頻率響應，在考慮製程偏移下經過調整電路的調整之後所得到的最 後結果，由模擬結果得知調整電路發揮其調整的效果，圖4-17 為圖 4-16 的放大，
詳細數據整理在表4-1，
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圖4-16 濾波器頻率響應(FF-FS-SF-SS-TT)
圖4-17 濾波器頻率響應(FF-FS-SF-SS-TT)
FF SF FS SS TT 11MHz~30MHz
total interference output power(dBm) (11.7MHz~28.3MHz input level=-63dBm)
-82 -81.3 -82.5 -81.8 -82
30MHz~50MHz total interference output power(dBm) (31.7MHz~48.3MHz input level=-63dBm)
-106 -106 -107 -106 -106
表4-1
圖4-18 為對溫度變化的影響(0 ~ 125 度)，圖 4-19 為圖 4-18 的細部放大，在濾波 器對溫度變化所造成的誤差模擬中，發現調整電路也發揮其功效，但結果並沒有 比對製程偏移所做的調整效果好，但還是可以對調整電路中的RT 做細部的微調 以達到所需規格，表4-2 為還未做調整的結果；由表 4-1 得到的結果，根據參考 資料[13]所得的 S/N ratio，符合以最差狀態所預估的規格中的 16QAM、QPSK 和 BPSK 的標準，DATA RATE 可達到 36Mbits/s
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圖4-18 溫度變化(0o~125o)
圖4-19 溫度變化(0o~125o)
0 oC 10 oC 25 oC 50 oC 75 oC 120 oC 125 oC Loss(dB) 0.84 0.87 0.90 0.98 1.07 1.16 1.26 1dB(MHz) 9.94 9.82 9.61 9.42 9.27 9.12 8.69 3dB(MHz) 11.58 11.43 11.26 11.11 10.98 10.91 10.84
表4-2
4-6-3 濾波器其他規格模擬
Pass band ripple(圖 4-20) :0.5dB圖4-20 Pass band ripple Group delay(圖 4-19): 21nsec
4-21 Group delay
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4-7 濾波器線性度分析 4-7-1 THD 模擬結果
接下來是要做FFT 的分析，希望其 THD 在-40dB 以下，分別選擇 5MHz 和 8MHz 的正弦波，改變其振幅加以模擬，可得到以下結果，並對製程偏移所產生的誤差 加以模擬，圖4-22 到圖 4-24 為 5MHz 時的結果，圖 4-25 圖 4-27 為 8MHz 時的 結果[1]。
圖4-22 fft_ff_500mVpp
圖4-23 fft_ss_500mVpp
圖4-24 fft_tt_500mVpp
圖4-25 fft_ff_8x_500mVpp
圖4-26 fft_ss_8x_500mVpp
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圖4-27 fft_tt_8x_500mVpp
圖4-28(5MHz)
圖4-29(8MHz)
經過整理之後可由圖4-28 和圖 4-29 得到，在 Vpp=500mV 以下，THD 小於-40dB。
4-7-2 two-tone 模擬結果
在這裡對電路做two-tone simulation，輸入 5MHz 和 6MHz，由於是同時輸入兩 個頻率，所以輸入大小取
2
Vpp 下圖為模擬結果，分別
Vpp=500mV ,450mV,400mV ,300mV，圖 4-30~圖 4-33 為其模擬結果
圖4-30(Vpp=500mV)
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圖4-31(Vpp=450mV)
圖4-32(Vpp=400mV)
圖4-33(Vpp=300mV)
經由THD 和 two-tone 的模擬結果可得，其線性度最佳輸入範圍為 Vpp=450mV
4-8 可變頻寬
利用圖 4-14 濾波器全電路中的電阻 RT，改變其電阻值由10K 歐姆到 20K 歐姆，可改變Gm 的大小，因為在圖 4-9，R2=R1，又
1Gm R R
R T
2
1 = ，所以RT=1/Gm，
圖4-34 為其可調範圍。
圖4-34 可調範圍
由圖4-34，可以得到其頻寬可調範圍，除此之外還必須針對其作 FFT 分析，因 為在AC 分析是無法判斷其線性度，如下圖 4-35 為三種頻段的 THD 比較圖。
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4-9 預計規格列表
Technology 0.25um TSMC
1dB frequency 9MHz Pass band ripple 0.5dB 3dB frequency 11MHz 11MHz~30MHz total interference output
power (11.7MHz~28.3MHz input level=-63dBm)
-82dBm
30MHz~50MHz total interference output power (31.7MHz~48.3MHz input
level=-47dBm)
-100dBm
Tuning range(3dB) 8MHz~16MHz
THD(@11MHz:500mVpp) -45dB Power supply 2.5v
Power consumption(@RT=13.6K) 8.023mW Chip size 680um x 680um OTA gm value 50u ~100u