課程設(shè)計(jì)COMS放大器設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、目 錄一、設(shè)計(jì)思路1二、cmos放大器設(shè)計(jì)22.1、任務(wù)與要求22.2、設(shè)計(jì)要求22.3、對(duì)cmos放大器的研究與計(jì)算2三、電路設(shè)計(jì)及仿真63.1、直流工作點(diǎn)的分析73.2、交流信號(hào)分析83.3、瞬態(tài)分析103.4、小信號(hào)特性分析123.5、壓擺率大信號(hào)分析13四、課程設(shè)計(jì)心得14五、參 考 文 獻(xiàn)15一、設(shè)計(jì)思路日常生活中放大器的用途隨處可見(jiàn)，但關(guān)于用mos管的放大器還很少，綜合所學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)去設(shè)計(jì)一個(gè)cmos放大器，本設(shè)計(jì)采用gpdk180工藝，實(shí)現(xiàn)增益大于40db（即放大100倍以上），相位裕度大于60，功耗小于1mw，同時(shí)用1.8v的電壓源供電。設(shè)計(jì)mos管所采用的是pmos和nmos

2、的組合管構(gòu)成放大器，因?yàn)橥瑯拥捏w積、同樣的摻雜濃度下，pmos管的電阻會(huì)比nmos管的電阻要大，所以在這兩種mos管組成的電路中，采用nmos作為放大管，而pmos作為偏置負(fù)載，兩種組合管串聯(lián)起來(lái)，從組合管的中間引出放大的信號(hào)，由于放大倍數(shù)還不夠大，本設(shè)計(jì)采用nmos管作為放大管，這只是理想中器件的選擇，接下來(lái)就是參數(shù)的計(jì)算以及對(duì)電路設(shè)計(jì)的模擬和仿真。由于采用gpdk180工藝、電源電壓1.8v的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，所以就要在資料庫(kù)中查找并選好mos管的參數(shù)，對(duì)于mos管最重要的是w/l的比值，根據(jù)放大倍數(shù)以及對(duì)功耗的要求可求出w/l比，根據(jù)電源電壓可求出驅(qū)動(dòng)電路的電壓值。得到的寬長(zhǎng)比可與資料里面的標(biāo)

3、準(zhǔn)對(duì)比，取一定的長(zhǎng)度就可以得出器件的寬度，根據(jù)所選定的器件去查找相應(yīng)的mos管柵極的氧化層參數(shù)，應(yīng)注意的是在gpdk180工藝中，寬度最大不超過(guò)50nm，長(zhǎng)度最大要180nm以上。為了得到合適的放大倍數(shù)以及較低的功耗，pmos管和nmos管連接起來(lái)，pmos管的上端接電源vdd下端接nmos管，下端的nmos管接地，在兩個(gè)mos管的中間取出放大信號(hào)，給上端的pmos管的柵極加一個(gè)適合的偏置，在nmos管的柵極輸入，根據(jù)以上思路制作本次設(shè)計(jì)二、cmos放大器設(shè)計(jì)2.1、任務(wù)與要求：設(shè)計(jì)cmos放大器，要求如下：1采用gpdk180工藝。2增益大于40db, 相位裕度大于60。3功耗小于10mw。

4、4電源電壓為1.8v。2.2、設(shè)計(jì)要求：1）、根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，選取、確定適合的電路結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行計(jì)算分析；2）、電路的仿真與分析，重點(diǎn)進(jìn)行直流工作點(diǎn)、交流ac分析、瞬態(tài)trans分析、建立時(shí)間小信號(hào)特性和壓擺率大信號(hào)分析，能熟練掌握各種分析的參數(shù)設(shè)置方法；3）、電路性能的優(yōu)化與器件參數(shù)調(diào)試，要求達(dá)到預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)。4)、整理仿真數(shù)據(jù)與曲線(xiàn)圖表，撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告。5）、按照課程設(shè)計(jì)要求，采用gpdk180工藝設(shè)計(jì)，coms放大器的模型如下：圖1 cmos放大電路模型2.3、對(duì)cmos放大器的研究與計(jì)算設(shè)計(jì)要求：采用gpdk180工藝；放大增益大于40db，即100倍以上；相位裕度大于 ，功耗小于10

5、mw;電源電壓為1.8v。 1）、由公式 ，可得可取2）、采用gpdk工藝，用一個(gè)pmos管與一個(gè)nmos管接連做放大器設(shè)定nmos、pmos的制作長(zhǎng)度 ，可知 于是有 放大電路的交流小信號(hào)模型如下： 圖2 放大器的小信號(hào)模型 :令vin=0，即 3）、4）、5）、根據(jù) ,在軟件庫(kù)中查到相應(yīng)的nmos和pmos的計(jì)算參數(shù)：nmos：l=0.360.5um， w=1.23um 氧化層厚度：pmos：l=0.360.5um， w=1.23um 氧化層厚度：6）、7）、8）、電路放大時(shí)，必須保證nmos和pmos同時(shí)工作在飽和區(qū)，9）、設(shè)輸出電壓的最大擺幅為2v，nmos工作在飽和區(qū)，則應(yīng)滿(mǎn)足的條件

6、：nmos管處在飽和區(qū)的同時(shí)pmos也工作在飽和區(qū)，則10）、11）、三、電路設(shè)計(jì)及仿真電路的各個(gè)參數(shù)計(jì)算出來(lái)，本設(shè)計(jì)采用vmware workstation虛擬機(jī)進(jìn)行仿真，vmware workstation是一個(gè)運(yùn)行在linux系統(tǒng)下版級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的eda軟件，打開(kāi)虛擬機(jī)后，進(jìn)入虛擬機(jī)的啟動(dòng)電源界面，然后啟動(dòng)虛擬機(jī)的電源，點(diǎn)擊進(jìn)入啟動(dòng)本次設(shè)計(jì)的軟件，雙擊在界面的上方的“新建終端”動(dòng)作圖標(biāo)，在終端輸入cd work/gpdk180回車(chē)后，輸入icbf指令就到了icfb文件下，在界面對(duì)話(huà)框中選擇file/new/library，彈出對(duì)話(huà)框new liabrary，在名字框中填入文件夾名zhang

7、，選擇attach to an existing techfile,在彈出的對(duì)話(huà)框中選擇gpdk180后，點(diǎn)ok回到icfb。再選擇file/new/cellview，在library name選擇的基礎(chǔ)上新建一個(gè)fangda的library名，點(diǎn)擊ok即可。根據(jù)以上的操作和計(jì)算，在gpdk180下設(shè)計(jì)出電路圖，并進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，選擇pmos管的w=50u，l=200n；選擇nmos的w=37u,l=400n.設(shè)置后設(shè)計(jì)的初步圖設(shè)為：圖 3 cmos放大設(shè)計(jì)圖3.1、直流工作點(diǎn)的分析畫(huà)好電路圖后要看設(shè)計(jì)的是否正確，經(jīng)過(guò)多次修改后得出最好的參數(shù)設(shè)置，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)的仿真，接下來(lái)是對(duì)所設(shè)計(jì)

8、的電路做直流（dc）分析。因此輸入信號(hào)采用直流電壓源信號(hào)輸入，其電壓為參數(shù)的電壓2.75v。具體電路如下：圖4 直流分析電路繪制好電路圖之后修改各器件的參數(shù)知道接恰當(dāng)為止，修改好參數(shù)后點(diǎn)擊check and save，保存好后選擇tools/ analog environment，進(jìn)入virtuoso analog design environment模擬環(huán)境,在彈出的對(duì)話(huà)框中選擇choose， 再在彈出的對(duì)話(huà)框中選擇dc分析，并在save dc operating point選項(xiàng)上選中，點(diǎn)擊ok回到analog environment;選擇運(yùn)行simulation/netlist and r

9、un,然后選擇result/print/dc operating points進(jìn)行結(jié)果的查看，在彈出界面之前點(diǎn)擊最右邊電源v0，就得到本次設(shè)計(jì)電路運(yùn)行結(jié)果的參數(shù)。進(jìn)過(guò)多次調(diào)整兩個(gè)mos管的w/l后得到符合本設(shè)計(jì)要求所規(guī)定的參數(shù)值，電流為3.43494ma還不算小，功率為6.1829mw10mw,所得的結(jié)果如下，由結(jié)果可看出，設(shè)計(jì)電路模擬出來(lái)的電流和功率基本符合本次設(shè)計(jì)要求，圖中數(shù)據(jù)的符號(hào)代表方向。圖5 直流分析結(jié)果3.2、交流信號(hào)分析在進(jìn)行交流分析之前要先將nmos輸入的信號(hào)源換成交流源，其dc分析電壓為原來(lái)的直流分析是的電壓，頻率設(shè)為1khz，具體電路如下：圖6 交流分析電路圖換好交流信號(hào)電

10、壓源后點(diǎn)擊check and save，保存好后選擇tools/ analog environment，進(jìn)入virtuoso analog design environment模擬環(huán)境,在彈出的對(duì)話(huà)框中選擇choose， 再在彈出的對(duì)話(huà)框中analysis選擇ac分析，在sweep variabl/frequence，在sweep ranged的start_stop的start里輸入1，在stop里輸入100g；再在sweep type里選擇logarihmic，并在points per decade。點(diǎn)擊ok回到analog environment;選擇運(yùn)行simulation/netlis

11、t and run,然后選擇result/direct polt/main form，在彈出的對(duì)話(huà)框中選擇voltage，在modifer下選擇20db，再在原理圖中點(diǎn)擊輸出線(xiàn)，進(jìn)行結(jié)果的查看，對(duì)交流信號(hào)的仿真結(jié)果如下：圖7 交流放大增益仿真由結(jié)果可看出放大增益約44db，放大倍數(shù)符合本次設(shè)計(jì)的要求躍升頻率約為 。同理在virtuoso analog design environment模擬環(huán)境中的modifer選擇phase的得到放大倍數(shù)和相位仿真，結(jié)果如下，從圖中可看出相位裕度絕對(duì)大于60.放大倍數(shù)大于40db，這是調(diào)整并優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求圖8 增益與相位仿真3.3、瞬態(tài)分析

12、進(jìn)行trans分析，將輸入接交流源，設(shè)定參數(shù)dc值為原來(lái)直流模擬時(shí)值，調(diào)試幅度為10mv，頻率為1khz，設(shè)計(jì)電路圖如下圖9瞬態(tài)分析電路圖設(shè)置好信號(hào)電壓源后點(diǎn)擊check and save，保存好后選擇tools/ analog environment，進(jìn)入virtuoso analog design environment模擬環(huán)境,在彈出的對(duì)話(huà)框中選擇output/to be poltted/select from schmatic,進(jìn)入sahmatic edit窗口，點(diǎn)擊“in”和“out”線(xiàn)，選擇電壓輸出。點(diǎn)擊ok回到analog environment;選擇運(yùn)行simulation/n

13、etlist and run,然后選擇result/direct polt/main form，在彈出的對(duì)話(huà)框中選擇voltage，然后在電路圖上選擇“in”和“out”線(xiàn)，再在原理圖中點(diǎn)擊輸出線(xiàn)，進(jìn)行結(jié)果的查看，對(duì)交流信號(hào)的仿真結(jié)果如下：圖10 trans分析結(jié)果由圖可知，輸入的是余弦波，輸出是與之反相的正弦波，波形沒(méi)有失真，方向?yàn)檩斎氲姆聪?，因?yàn)槎x了50ps延時(shí)，所以輸入輸出在時(shí)間上不精確對(duì)準(zhǔn)，中的說(shuō)來(lái)放大倍數(shù)是達(dá)到要求的。3.4、小信號(hào)特性分析建立時(shí)間小信號(hào)特性分析接入信號(hào)源信號(hào)源的電壓為2.75v，上升和下降時(shí)間為1ps，脈沖寬度為500ps，時(shí)段為1ns，換好交流信號(hào)電壓源后點(diǎn)擊c

14、heck and save，保存好后選擇tools/ analog environment，進(jìn)入virtuoso analog design environment模擬環(huán)境,在彈出的對(duì)話(huà)框中選擇choose， 再在彈出的對(duì)話(huà)框中analysis選擇trans分析，在stop time選項(xiàng)里輸入30p，點(diǎn)擊ok確定回到 analog environment;選擇運(yùn)行simulation/netlist and run,然后選擇result/direct polt/main form，在彈出的對(duì)話(huà)框中選擇voltage，再在原理圖中點(diǎn)擊輸出線(xiàn)（out），進(jìn)行結(jié)果的查看，對(duì)交流信號(hào)的仿真結(jié)果如下：圖

15、11 trans的小信號(hào)建立 從圖可看出小信號(hào)建立的時(shí)間約為12ps3.5、壓擺率大信號(hào)分析壓擺率是指單位時(shí)間（一般用微秒）器件輸出電壓值的可改變的范圍壓擺率，意思就是運(yùn)算放大器輸出電壓的轉(zhuǎn)換速率繪制好電路圖之后修改各器件的參數(shù)知道接恰當(dāng)為止，修改好輸入信號(hào)的參數(shù)后點(diǎn)擊check and save，保存好后選擇tools/ analog environment，進(jìn)入virtuoso analog design environment模擬環(huán)境,在彈出的對(duì)話(huà)框中選擇choose， 再在彈出的對(duì)話(huà)框中選擇dc分析，在sweep variabl/componemt parameter，點(diǎn)擊select

16、 component之后或自動(dòng)切換到原理圖上，選擇v1，在彈出的對(duì)話(huà)框選擇dc，壞到前面的選擇分析窗口，在sweep ranged的start_stop的start里輸入1，在stop里輸入4；再在sweep type里選擇linear，在step size里填上0.01。點(diǎn)擊ok回到analog environment;選擇運(yùn)行simulation/netlist and run,然后選擇result/direct polt/main form，在彈出的對(duì)話(huà)框中選擇voltage，再在原理圖中點(diǎn)擊輸出線(xiàn)，進(jìn)行結(jié)果的查看，即可得到仿真的結(jié)果：圖12 壓擺率大信號(hào)分析從圖中可看出，由于電壓為1.

17、8v，其從高電平越變?yōu)榈碗娖降闹禐?.5v左右。四、課程設(shè)計(jì)心得集成電路課程設(shè)計(jì)終于完成了，一開(kāi)始什么什么都不知道做，因?yàn)槲覀儧](méi)有學(xué)到真正能用于實(shí)際的，一開(kāi)接到課題，都不知道如何下手，只知道跟做老師講的去做，外加以前學(xué)的一點(diǎn)點(diǎn)，自己慢慢去做，但具體就不知道這么做了，到后來(lái)參考了他們的設(shè)計(jì)，我才有了了具體的做法，本次設(shè)計(jì)就是要找好mos管的w/l比及其他參數(shù)，在cadence軟件里去查找了所要用的器件的參數(shù)，然后計(jì)算出來(lái)，但是實(shí)際做的時(shí)候往往要改很多不當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)，只有仿真出來(lái)的結(jié)果才會(huì)證明計(jì)算是不是對(duì)的，很多不懂得只有自己琢磨著去做，同自己慢慢的摸索，最后還是一步一步的的把結(jié)果做出來(lái)了。對(duì)于我們電

18、子專(zhuān)業(yè)還是什么工科專(zhuān)業(yè)，不管是硬件設(shè)計(jì)還是軟件設(shè)計(jì)，都要分模塊設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)思路都是自頂向下，自底向上。知識(shí)的連貫性體現(xiàn)于應(yīng)用。我覺(jué)得學(xué)習(xí)在于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于自己，而不是一味的依靠別人。如今網(wǎng)絡(luò)資源如此豐富，為我們提供了一個(gè)很好的學(xué)習(xí)平臺(tái)，感覺(jué)知識(shí)的海洋是如此的浩瀚，而我們卻是如此的渺小，希望在自己有限的時(shí)間里學(xué)習(xí)更多的東西。課程設(shè)計(jì)主要是我們理論知識(shí)的延伸，它的目的主要是要在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并且自己要能找到解決問(wèn)題的方案，形成一種獨(dú)立的意識(shí)。當(dāng)然在做課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中總會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題，在這種情況下我們都會(huì)努力尋求最佳路徑解決問(wèn)題，無(wú)形間提高了我們的動(dòng)手，動(dòng)腦能力，并且同學(xué)之間還能相互探討問(wèn)題，研究解決方案，增進(jìn)大家的團(tuán)隊(duì)意識(shí)。本次課程設(shè)計(jì)有機(jī)地結(jié)合了理論與實(shí)踐，既考察了我們對(duì)理論知識(shí)的掌握情況，還反映出我們實(shí)際動(dòng)手能力，更主要的是它激起我們創(chuàng)新思維，為今后的進(jìn)一步學(xué)習(xí)創(chuàng)下良好條件，為以后的就業(yè)也打下一個(gè)根基，真可謂一舉多得。剛開(kāi)始，不知道從哪里入手，經(jīng)歷了一次次的困難，卻積累了很多寶貴