ADC中的动态比较器噪声仿真

gpffreedom

一篇关于ADC中动态比较器的噪声仿真方法的文章，转自微信公众号：IC宇宙成长记

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz ... 2FNRIAt&wx_header=1

1.目标

（1）总结动态比较器噪声仿真方法；

（2）就噪声仿真，判断各仿真器仿真结果的可信度，找到仿真的合理方法。

2.仿真方法

根据spectre提供的workshop，动态比较器的噪声仿真有两种基本方式：

（1）trannoise仿真。如下图所示设置，设动态比较器的比较时钟周期为2ns，将仿真时长设为2us，能保证1000次比较结果。Noise Fmax设为100G。扫描比较器的输入差分值，当误码率达到16%，则输入差分值对应噪声分布的δ。

（2）pss+pnoise仿真。如下图所示设置，将pss的BeatFrequency设为500M，与时钟频率相同，Number of harmonics设为100。需要重点说明的是pnoise的设置，这关系到该方法的核心思想。该仿真的方法基于如下思路：当设置一个输入差分值，比如vip-vin=0.8mV，则由于比较器的正反馈，输出会最终稳定在一对高低电平。实际上，噪声所影响的是比较器的稳态建立过程，而稳态建立后的噪声则不会对结果有影响。因此，仿真大信号周期内的平均噪声并不准确，而应该是上述建立过程中的噪声。因此，在Noise Type对应的选项中选择jitter。通过在Threshold Value设置电压值，比如48mV，Crossing Direction设置上升沿或下降沿，则仿真会在差分输出电压为48mV对应的时刻点计算噪声。此时对应的输入输出增益为48mV/0.8mV=60，将仿真得到的噪声电压除去增益，即得到对应的输入噪声。

按照上述思路，使用hspice进行网表仿真也有对应的两种方式，对应的仿真方法如下：

（1）trannoise仿真

.tran 0.1n 2u sweep dif 0.35m 0.55m 0.05m

.trannoise v(outp,outm) fmax=100G

.PROBE trannoise onoise

.PROBE tran v(outp,outn)

（2）ptdnoise仿真

.SN tones=5e8 nharms=100 trinit=2n

.MEASURESN thre_time when v(latchp,latchn)=48m rise=1

.PTDNOISEv(latchp,latchn) TIME=thre_time dec 100 1 5e8

+listfreq=(all)

+listcount=3

+listsources=ON

.PROBE  PTDNOISE ONOISE

.PROBESN  v(latchp,latchn)

.MEASUREPTDNOISE strobejit STROBEJITTER onoise FROM = 1 TO =5e8

下面便根据这两种仿真方式，根据仿真工具的仿真结果，判断仿真工具的准确度，并确定最终的仿真方式

3.仿真结果对比

spectre工具：

首先是spectre工具的trannoise仿真结果：

统计出各输入差分值对应的误码率如下：

输入差分值	0.35m	0.4m	0.45m	0.5m	0.55m
误码率	22.8%	19.9%	16.7%	13.2%	10.6%

因此输入噪声约为0.45mV。

然后是spectre工具的pnoise仿真结果，将仿真的阈值分别设为48mV和240mV，比较得到的输入噪声。

阈值	48m	240m	Unit
输出噪声	36.16	153.4	mV
输入噪声	0.60	0.51

可见，pnoise仿真和trannoise仿真结果接近，且输出噪声随输入差分值的变化比例接近，因此较为合理。

hspice工具：

首先是hspice工具的trannoise仿真结果：

输入差分值	0.35m	0.4m	0.45m	0.5m	0.55m
误码率	19.5%	17.2%	14.1%	11.9%	9.9%

因此输入噪声在0.4mV~0.45mV间。与spectre的仿真结果接近。

然后是hspice工具的ptdnoise仿真结果，将仿真的阈值分别设为48mV和240mV，比较得到的输入噪声。

阈值	48m	240m	Unit
输出噪声	70.93	88.58	mV
输入噪声	1.18	0.295

可见，ptdnoise仿真和trannoise仿真结果有所差距，且输出噪声随输入差分值的变化比例也不一致，因此ptdnoise仿真结果可信度低。

4.结论

就动态比较器的输入噪声而言，pss+pnoise仿真，spectre的仿真结果合理，hspice的仿真结果不合理；trannoise仿真，spectre的仿真结果比hspice的更接近pnoise的仿真结果，因此更准确。

参考

1.HSPICE Reference Manual：Commands  and Control Options.pdf

2.HSPICE User Guide RF Analysis.pdf

3.Art Schaldenbrand . A New Methodology forDynamic Comparator Noise

4.Cadence: ADC Verification Workshop

5.宇文青霜. Comparator 动态噪声的仿真

xuwenwei

不错，学习一下

VAEEE

不错不错

zhoujian.ww

不错不错

GenesisIC

很有帮助

FAR0001

tran noise是最无脑，最花时间，但最准确的噪声仿真方式。

wyazmg

想请教一下，比较器结果出来的图如何处理得到误码率，萌新请教

wyazmg

请问一下这个tran noise仿真的误码率是怎么算的？

gpffreedom

wyazmg 发表于 2021-1-28 16:22
请问一下这个tran noise仿真的误码率是怎么算的？

可以根据比较器的时钟速率采样比较结果，然后用matlab或者excel统计误码的数量。

savvy_jiang

Thanks for your sharing