Circuit biasing problem

[promach]

@Wimberleytech

What do you think ?

I guess I need to incorporate mosfet sizing dimension into the transfer function such that I compare my simulation test result against my analytical transconductance transfer function

[Wimberleytech]

@Wimberleytech

What do you think ?

I guess I need to incorporate mosfet sizing dimension into the transfer function such that I compare my simulation test result against my analytical transconductance transfer function

Pretty close.  Why did you ground Iout?  It does not connect to a virtual ground in your system schematic.
Re MOSFET sizing, gm is sqrt(2k'IW/L) in the simple model.  Rds is (lambda*I)^-1  Depending on the MOSFET model used, it may be hard to hand-calculate an Rds that agrees with the simulation.

[promach]

I am using BSIM4 mosfet models as attached below:

Code: [Select]

* NMOS modelcard

* The BSIM4 modelcard below was not extracted from any real technologies. It should
* not be used for any other purposes except for benchmarking against BSIM team's
* standard results using spice3f5.

* Authors: ChetanKumar Dabhi, Shivendra Singh Parihar, Navid Paydavosi, Tanvir Morshed,
*          Darsen Lu, Mohan Dunga, Wenwei Yang, Ali Niknejad, and Chenming Hu.

.MODEL N1 NMOS
+LEVEL         = 14
+VERSION       = 4.81
+BINUNIT       = 1
+PARAMCHK      = 1
+MOBMOD        = 0
+CAPMOD        = 1
+IGCMOD        = 1
+IGBMOD        = 1
+GEOMOD        = 1
+DIOMOD        = 1
+RDSMOD        = 0
+RBODYMOD      = 0
+RGATEMOD      = 1
+PERMOD        = 1
+ACNQSMOD      = 0
+TRNQSMOD      = 0
+TEMPMOD       = 0
+MTRLMOD       = 1
+CVCHARGEMOD   = 0
+MTRLCOMPATMOD = 1
+EOT           = 1.8E-9
+VDDEOT        = 1.5
+ADOS          = 1.1
+BDOS          = 1.0
+TNOM          = 27
+TOXE          = 1.8E-9
+TOXP          = 10E-10
+TOXM          = 1.8E-9
+DTOX          = 8E-10
+EPSROX        = 3.9
+WINT          = 5E-9
+LINT          = 1E-9
+LL            = 0
+WL            = 0
+LLN           = 1
+WLN           = 1
+LW            = 0
+WW            = 0
+LWN           = 1
+WWN           = 1
+LWL           = 0
+WWL           = 0
+XPART         = 1
+TOXREF        = 1.4E-9
+PHIG          = 4.05
+EPSRGATE      = 11.7
+SAREF         = 5E-6
+SBREF         = 5E-6
+WLOD          = 2E-6
+KU0           = -4E-6
+KVSAT         = 0.2
+KVTH0         = -2E-8
+TKU0          = 0
+LLODKU0       = 1.1
+WLODKU0       = 1.1
+LLODVTH       = 1.0
+WLODVTH       = 1.0
+LKU0          = 1E-6
+WKU0          = 1E-6
+PKU0          = 0
+LKVTH0        = 1.1E-6
+WKVTH0        = 1.1E-6
+PKVTH0        = 0
+STK2          = 0
+LODK2         = 1.0
+STETA0        = 0
+LODETA0       = 1.0
+LAMBDA        = 4E-10
+VSAT          = 1.1E5
+VTL           = 2.0E5
+XN            = 6.0
+LC            = 5E-9
+RNOIA         = 0.577
+RNOIB         = 0.37
+LINTNOI       = 1E-009
+TVOFF         = 0
+TVFBSDOFF     = 0
+VTH0          = 0.25
+K1            = 0.35
+K2            = 0.05
+K3            = 0
+K3B           = 0
+W0            = 2.5E-6
+DVT0          = 1.8
+DVT1          = 0.52
+DVT2          = -0.032
+DVT0W         = 0
+DVT1W         = 0
+DVT2W         = 0
+DSUB          = 2
+MINV          = 0.05
+VOFFL         = 0
+DVTP0         = 1E-7
+MINVCV        = 2
+VOFFCVL       = 0
+DVTP1         = 0.05
+LPE0          = 5.75E-8
+LPEB          = 2.3E-10
+XJ            = 2E-8
+NGATE         = 5E20
+NDEP          = 2.8E18
+NSD           = 1E20
+PHIN          = 0
+CDSC          = 0.0002
+CDSCB         = 0
+CDSCD         = 0
+CIT           = 0
+VOFF          = -0.15
+NFACTOR       = 1.2
+ETA0          = 0.05
+ETAB          = 0
+UC            = -3E-11
+VFB           = -0.55
+U0            = 0.032
+UA            = 5.0E-11
+UB            = 3.5E-18
+A0            = 2
+AGS           = 1E-20
+A1            = 0
+A2            = 1
+B0            = -1E-20
+B1            = 0
+KETA          = 0.04
+DWG           = 0
+DWB           = 0
+PCLM          = 0.08
+PDIBLC1       = 0.028
+PDIBLC2       = 0.022
+PDIBLCB       = -0.005
+DROUT         = 0.45
+PVAG          = 1E-20
+DELTA         = 0.01
+PSCBE1        = 8.14E8
+PSCBE2        = 5E-8
+FPROUT        = 0.2
+PDITS         = 0.2
+PDITSD        = 0.23
+PDITSL        = 2.3E6
+RSH           = 0
+RDSW          = 50
+RSW           = 50
+RDW           = 50
+RDSWMIN       = 0
+RDWMIN        = 0
+RSWMIN        = 0
+PRWG          = 0
+PRWB          = 6.8E-11
+WR            = 1
+ALPHA0        = 0.074
+ALPHA1        = 0.005
+BETA0         = 30
+AGIDL         = 0.0001
+BGIDL         = 2.1E9
+CGIDL         = 0.0001
+EGIDL         = 0.8
+AGISL         = 0.0002
+BGISL         = 2.1E9
+CGISL         = 0.0002
+EGISL         = 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          = 0.012
+BIGC          = 0.0028
+CIGC          = 0.002
+AIGS          = 0.012
+BIGS          = 0.0028
+CIGS          = 0.002
+NIGC          = 1
+POXEDGE       = 1
+PIGCD         = 1
+NTOX          = 1
+AIGD          = 0.01
+BIGD          = 0.003
+CIGD          = 0.0015
+XRCRG1        = 12
+XRCRG2        = 5
+CGSO          = 6.238E-10
+CGDO          = 6.238E-10
+CGBO          = 2.56E-11
+CGDL          = 2.495E-10
+CGSL          = 2.495E-10
+CKAPPAS       = 0.03
+CKAPPAD       = 0.03
+ACDE          = 1
+MOIN          = 15
+NOFF          = 0.9
+VOFFCV        = -0.02
+KT1           = -0.37
+KT1L          = 0.0
+KT2           = -0.042
+UTE           = -1.5
+UA1           = 1E-9
+UB1           = -3.5E-19
+UC1           = 0
+PRT           = 0
+AT            = 53000
+FNOIMOD       = 1
+TNOIMOD       = 0
+JSS           = 0.0001
+JSWS          = 1E-11
+JSWGS         = 1E-10
+NJS           = 1
+IJTHSFWD      = 0.01
+IJTHSREV      = 0.001
+BVS           = 10
+XJBVS         = 1
+JSD           = 0.0001
+JSWD          = 1E-11
+JSWGD         = 1E-10
+NJD           = 1
+IJTHDFWD      = 0.01
+IJTHDREV      = 0.001
+BVD           = 10
+XJBVD         = 1
+PBS           = 1
+CJS           = 0.0005
+MJS           = 0.5
+PBSWS         = 1
+CJSWS         = 5E-10
+MJSWS         = 0.33
+PBSWGS        = 1
+CJSWGS        = 3E-10
+MJSWGS        = 0.33
+PBD           = 1
+CJD           = 0.0005
+MJD           = 0.5
+PBSWD         = 1
+CJSWD         = 5E-10
+MJSWD         = 0.33
+PBSWGD        = 1
+CJSWGD        = 5E-10
+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          = 0
+DMCI          = 0
+DMDG          = 0
+DMCGT         = 0
+DWJ           = 0
+XGW           = 0
+XGL           = 0
+RSHG          = 0.4
+GBMIN         = 1E-10
+RBPB          = 5
+RBPD          = 15
+RBPS          = 15
+RBDB          = 15
+RBSB          = 15
+NGCON         = 1
+JTSS          = 1E-4
+JTSD          = 1E-4
+JTSSWS        = 1E-10
+JTSSWD        = 1E-10
+JTSSWGS       = 1E-7
+JTSSWGD       = 1E-7
+NJTS          = 20.0
+NJTSSW        = 15
+NJTSSWG       = 6
+VTSS          = 10
+VTSD          = 10
+VTSSWS        = 10
+VTSSWD        = 10
+NJTSD         = 15.0
+NJTSSWD       = 20
+NJTSSWGD      = 6
+TNJTS         = 0.1
+TNJTSD        = 0.05
+VTSSWGS       = 2
+VTSSWGD       = 2
+XTSS          = 0.02
+XTSD          = 0.02
+XTSSWS        = 0.02
+XTSSWD        = 0.02
+XTSSWGS       = 0.02
+XTSSWGD       = 0.02

Code: [Select]

* PMOS modelcard

* The BSIM4 modelcard below was not extracted from any real technologies. It should
* not be used for any other purposes except for benchmarking against BSIM team's
* standard results using spice3f5.

* Authors: ChetanKumar Dabhi, Shivendra Singh Parihar, Navid Paydavosi, Tanvir Morshed,
*          Darsen Lu, Mohan Dunga, Wenwei Yang, Ali Niknejad, and Chenming Hu.

.MODEL P1 PMOS
+LEVEL         = 14
+VERSION       = 4.81
+BINUNIT       = 1
+PARAMCHK      = 1
+MOBMOD        = 0
+CAPMOD        = 2
+IGCMOD        = 1
+IGBMOD        = 1
+GEOMOD        = 1
+DIOMOD        = 1
+RDSMOD        = 0
+RBODYMOD      = 0
+RGATEMOD      = 1
+PERMOD        = 1
+ACNQSMOD      = 0
+TRNQSMOD      = 0
+TEMPMOD       = 0
+MTRLMOD       = 1
+CVCHARGEMOD   = 0
+MTRLCOMPATMOD = 1
+EOT           = 1.8E-9
+VDDEOT        = -1.5
+ADOS          = 1.1
+BDOS          = 1.0
+TNOM          = 27
+TOXE          = 1.8E-9
+TOXP          = 10E-10
+TOXM          = 1.8E-9
+DTOX          = 8E-10
+EPSROX        = 3.9
+WINT          = 5E-9
+LINT          = 1E-9
+LL            = 0
+WL            = 0
+LLN           = 1
+WLN           = 1
+LW            = 0
+WW            = 0
+LWN           = 1
+WWN           = 1
+LWL           = 0
+WWL           = 0
+XPART         = 0
+TOXREF        = 1.8E-9
+PHIG          = 4.05
+EPSRGATE      = 11.7
+SAREF         = 5E-6
+SBREF         = 5E-6
+WLOD          = 2E-6
+KU0           = 4E-6
+KVSAT         = 0.2
+KVTH0         = -2E-8
+TKU0          = 0.0
+LLODKU0       = 1.1
+WLODKU0       = 1.1
+LLODVTH       = 1.0
+WLODVTH       = 1.0
+LKU0          = 1E-6
+WKU0          = 1E-6
+PKU0          = 0.0
+LKVTH0        = 1.1E-6
+WKVTH0        = 1.1E-6
+PKVTH0        = 0
+STK2          = 0
+LODK2         = 1.0
+STETA0        = 0
+LODETA0       = 1.0
+LAMBDA        = 4E-10
+VSAT          = 1.1E5
+VTL           = 2.0E5
+XN            = 6.0
+LC            = 5E-9
+RNOIA         = 0.577
+RNOIB         = 0.37
+LINTNOI       = 1E-9
+TVOFF         = 0
+TVFBSDOFF     = 0
+VTH0          = -0.25
+K1            = 0.35
+K2            = 0.05
+K3            = 0
+K3B           = 0
+W0            = 2.5E-6
+DVT0          = 1.8
+DVT1          = 0.52
+DVT2          = -0.032
+DVT0W         = 0
+DVT1W         = 0
+DVT2W         = 0
+DSUB          = 2
+MINV          = 0.05
+VOFFL         = 0
+DVTP0         = 1E-7
+MINVCV        = 2
+VOFFCVL       = 0
+DVTP1         = 0.05
+LPE0          = 5.75E-8
+LPEB          = 2.3E-10
+XJ            = 2E-8
+NGATE         = 5E20
+NDEP          = 2.8E18
+NSD           = 1E20
+PHIN          = 0
+CDSC          = 0.0002
+CDSCB         = 0
+CDSCD         = 0
+CIT           = 0
+VOFF          = -0.15
+NFACTOR       = 1.2
+ETA0          = 0.05
+ETAB          = 0
+VFB           = 0.55
+U0            = 0.0095
+UA            = 5.0E-11
+UB            = 3.5E-18
+UC            = -3E-11
+A0            = 2
+AGS           = 1E-20
+A1            = 0
+A2            = 1
+B0            = -1E-20
+B1            = 0
+KETA          = 0.04
+DWG           = 0
+DWB           = 0
+PCLM          = 0.08
+PDIBLC1       = 0.028
+PDIBLC2       = 0.022
+PDIBLCB       = -0.005
+DROUT         = 0.45
+PVAG          = 1E-20
+DELTA         = 0.01
+PSCBE1        = 8.14E8
+PSCBE2        = 5E-8
+FPROUT        = 0.2
+PDITS         = 0.2
+PDITSD        = 0.23
+PDITSL        = 2.3E6
+RSH           = 0
+RDSW          = 50
+RSW           = 50
+RDW           = 50
+RDSWMIN       = 0
+RDWMIN        = 0
+RSWMIN        = 0
+PRWG          = 0
+PRWB          = 6.8E-11
+WR            = 1
+ALPHA0        = 0.074
+ALPHA1        = 0.005
+BETA0         = 30
+AGIDL         = 0.0002
+BGIDL         = 2.1E9
+CGIDL         = 0.0002
+EGIDL         = 0.8
+AGISL         = 0.0003
+BGISL         = 2.5E9
+CGISL         = 0.0003
+EGISL         = 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          = 0.012
+BIGC          = 0.0028
+CIGC          = 0.002
+AIGS          = 0.012
+BIGS          = 0.0028
+CIGS          = 0.002
+NIGC          = 1
+POXEDGE       = 1
+PIGCD         = 1
+NTOX          = 1
+AIGD          = 0.01
+BIGD          = 0.003
+CIGD          = 0.0015
+XRCRG1        = 12
+XRCRG2        = 5
+CGSO          = 6.238E-10
+CGDO          = 6.238E-10
+CGBO          = 2.56E-11
+CGDL          = 2.495E-10
+CGSL          = 2.495E-10
+CKAPPAS       = 0.03
+CKAPPAD       = 0.03
+ACDE          = 1
+MOIN          = 15
+NOFF          = 0.9
+VOFFCV        = 0.02
+KT1           = -0.37
+KT1L          = 0.0
+KT2           = -0.042
+UTE           = -1.5
+UA1           = 1E-9
+UB1           = -3.5E-19
+UC1           = 0
+PRT           = 0
+AT            = 53000
+FNOIMOD       = 1
+TNOIMOD       = 0
+JSS           = 0.0001
+JSWS          = 1E-11
+JSWGS         = 1E-10
+NJS           = 1
+IJTHSFWD      = 0.01
+IJTHSREV      = 0.001
+BVS           = 10
+XJBVS         = 1
+JSD           = 0.0001
+JSWD          = 1E-11
+JSWGD         = 1E-10
+NJD           = 1
+IJTHDFWD      = 0.01
+IJTHDREV      = 0.001
+BVD           = 10
+XJBVD         = 1
+PBS           = 1
+CJS           = 0.0005
+MJS           = 0.5
+PBSWS         = 1
+CJSWS         = 5E-10
+MJSWS         = 0.33
+PBSWGS        = 1
+CJSWGS        = 3E-10
+MJSWGS        = 0.33
+PBD           = 1
+CJD           = 0.0005
+MJD           = 0.5
+PBSWD         = 1
+CJSWD         = 5E-10
+MJSWD         = 0.33
+PBSWGD        = 1
+CJSWGD        = 5E-10
+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          = 0
+DMCI          = 0
+DMDG          = 0
+DMCGT         = 0
+DWJ           = 0
+XGW           = 0
+XGL           = 0
+RSHG          = 0.4
+GBMIN         = 1E-10
+RBPB          = 5
+RBPD          = 15
+RBPS          = 15
+RBDB          = 15
+RBSB          = 15
+NGCON         = 1
+JTSS          = 1E-4
+JTSD          = 1E-4
+JTSSWS        = 1E-10
+JTSSWD        = 1E-10
+JTSSWGS       = 1E-7
+JTSSWGD       = 1E-7
+NJTS          = 20.0
+NJTSSW        = 15
+NJTSSWG       = 4
+VTSS          = 10
+VTSD          = 10
+VTSSWS        = 10
+VTSSWD        = 10
+NJTSD         = 15.0
+NJTSSWD       = 20
+NJTSSWGD      = 6
+TNJTS         = 0.1
+TNJTSD        = 0.05
+VTSSWGS       = 2
+VTSSWGD       = 2
+XTSS          = 0.02
+XTSD          = 0.02
+XTSSWS        = 0.02
+XTSSWD        = 0.02
+XTSSWGS       = 0.02
+XTSSWGD       = 0.02

[Wimberleytech]

Lambda in the BSIM4 model is different than the lambda in the Shichman-Hodges model.

Which SPICE are you using for simulation?  Does it output small signal values for each transistor?  If so, get your gm's and rds's from the spice output and shove that into your equations.

[promach]

Why did you ground Iout?  It does not connect to a virtual ground in your system schematic.

It is for transconductance purpose. To find the effective transconductance, short the output node to ground.

Besides, I am using ngspice. I need to check on this.