集成電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告單極CMOS放大電路的設(shè)計(jì)與仿真

1、集成電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告單級cmos放大電路的設(shè)計(jì)與仿真 院 系：專 業(yè)： 學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 報(bào)告提交日期： 目 錄 摘要 1 關(guān)鍵詞2 1 引言22 cmos放大電述22.1 mos管介紹32.2 mos管特性分析53 設(shè)計(jì)與仿真 9 3.1 設(shè)計(jì) 9 3.1.1 電路設(shè)計(jì) 9 3.1.2 結(jié)果分析 10 3.2 仿真 12 3.2.1 技術(shù)支持 12 3.2.2 仿真與結(jié)果分析 12 4 結(jié)論 175 體會與展望 17參考文獻(xiàn) 18致謝 16附錄 17單級cmos放大電路的設(shè)計(jì)與仿真摘 要：本文給出單級cmos放大電路的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，電路結(jié)構(gòu)，參數(shù)的分析過程。并對其主要組成

2、部分mos管進(jìn)行了各種分析和放大電路的分析和仿真。關(guān)鍵詞：單級cmos放大電路，設(shè)計(jì)與仿真， pspice10.5.design and simulation of the single-stage cmos amplifier circuitabstract ：this article has produced single-stage cmos amplifier circuit composed of the structure and working principle, the electric circuit structure and the parameter analysis

3、 process. and its major component of the cmos transistors to analysis and amplification circuit analysis and simulation.key words: single-stage cmos amplifier circuit design and simulation pspice10.51. 引言在大多數(shù)模擬電路和數(shù)字電路中，放大是一個基本的功能。我們放大一個模擬或數(shù)字信號，是因?yàn)檫@個信號太小而不能驅(qū)動負(fù)載，不能克服后繼的噪聲或者是不能為數(shù)字電路提供邏輯電平。放大是最基本的模擬信號處理

4、功能，它是通過放大電路實(shí)現(xiàn)的，大多數(shù)模擬電子系統(tǒng)中都應(yīng)用了不同類型的放大電路。放大電路也是構(gòu)成其他模擬電路，如濾波、振蕩、穩(wěn)壓等功能電路的基本單元電路。放大是最基本的模擬信號處理功能，它是通過放大電路實(shí)現(xiàn)的，大多數(shù)模擬電子系統(tǒng)中都應(yīng)用了不同類型的放大電路。放大電路也是構(gòu)成其他模擬電路，如濾波、振蕩、穩(wěn)壓等功能電路的基本單元電路。放大是最基本的模擬信號處理功能，它是通過放大電路實(shí)現(xiàn)的，大多數(shù)模擬電子系統(tǒng)中都應(yīng)用了不同類型的放大電路。放大電路也是構(gòu)成其他模擬電路，如濾波、振蕩、穩(wěn)壓等功能電路的基本單元電路1。 電子技術(shù)里的“放大”有兩方面的含義：一是能將微弱的電信號增強(qiáng)到人們所需要的數(shù)值（即放大電

5、信號），以便于人們測量和使用；檢測外部物理信號的傳感器所輸出的電信號通常是很微弱的，例如前面介紹的高溫計(jì)，其輸出電壓僅有毫伏量級，而細(xì)胞電生理實(shí)驗(yàn)中所檢測到的細(xì)胞膜離子單通道電流甚至只有皮安（pa,10-2a）量級。對這些能量過于微弱的信號，既無法直接顯示，一般也很難作進(jìn)一步分析處理。通常必須把它們放大到數(shù)百毫伏量級，才能用數(shù)字式儀表或傳統(tǒng)的指針式儀表顯示出來。若對信號進(jìn)行數(shù)字化處理，則須把信號放大到數(shù)伏量級才能被一般的模數(shù)轉(zhuǎn)換器所接受。二是要求放大后的信號波形與放大前的波形的形狀相同或基本相同，即信號不能失真，否則就會丟失要傳送的信息，失去了放大的意義。某些電子系統(tǒng)需要輸出較大的功率，如家用

6、音響系統(tǒng)往往需要把聲頻信號功率提高到數(shù)瓦或數(shù)十瓦。而輸入信號的能量較微弱，不足以推動負(fù)載，因此需要給放大電路另外提供一個直流能源，通過輸入信號的控制，使放大電路能將直流能源的能量轉(zhuǎn)化為較大的輸出能量，去推動負(fù)載。這種小能量對大能量的控制作用是放大的本質(zhì)。由nmos管和pmos管組成的互補(bǔ)放大電路稱為cmos放大電路。它具有電壓增益高，輸出電壓變化范圍寬等特點(diǎn)2。2 mos晶體管概述首先介紹一下場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管（fet）簡稱場效應(yīng)管，它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件，具有輸入電阻高 噪聲小功耗低二次擊穿現(xiàn)象安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為雙機(jī)型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競爭者。場效應(yīng)管分為結(jié)型，絕

7、緣柵型兩大類。結(jié)型場效應(yīng)晶體管（jfet）因有兩個pn結(jié)而得名，絕緣柵型場效應(yīng)晶體管（jgeft）則因柵極與其它電極完全絕緣而得名。目前在絕緣柵型場效應(yīng)晶體管中，應(yīng)用最為廣泛的是mos場效應(yīng)管。按半導(dǎo)體材料的不同，結(jié)型和絕緣柵型各分為n溝道和p溝道兩種。若按導(dǎo)電方式來劃分，場效應(yīng)管又可分為耗盡型和增強(qiáng)型。結(jié)型場效管均為耗盡型，絕緣柵型場效應(yīng)晶體管既有耗盡型也有增強(qiáng)型的3。mos場效應(yīng)管即金屬-氧化物-半導(dǎo)體型場效應(yīng)管，英文縮寫為mosfet（metal-oxide-semiconductor field-effect-transistor），屬于絕緣柵型。其主要特點(diǎn)是在金屬柵極與溝道之間有一層

8、二氧化硅絕緣層，因此具有很高的輸入電阻（最高可達(dá)1015）。它也分n溝道管和p溝道管，符號如圖1所示。通常是將襯底（基板）與源極s接在一起。根據(jù)導(dǎo)電方式的不同，mosfet又分增強(qiáng)型、耗盡型。所謂增強(qiáng)型是指：當(dāng)vgs=0時管子是呈截止?fàn)顟B(tài)，加上正確的vgs后，多數(shù)載流子被吸引到柵極，從而“增強(qiáng)”了該區(qū)域的載流子，形成導(dǎo)電溝道。耗盡型則是指，當(dāng)vgs=0時即形成溝道，加上正確的vgs時，能使多數(shù)載流子流出溝道，因而“耗盡”了載流子，使管子轉(zhuǎn)向截止3。 n溝道 p 溝道 圖1 mos管的符號 以n溝道為例，它是在p型硅襯底上制成兩個高摻雜濃度的源擴(kuò)散區(qū)n+和漏擴(kuò)散區(qū)n+，再分別引出源極s和漏極d。

9、源極與襯底在內(nèi)部連通，二者總保持等電位。圖1符號中的前頭方向是從外向電，表示從p型材料（襯底）指身n型溝道。當(dāng)漏接電源正極，源極接電源負(fù)極并使vgs=0時，溝道電流（即漏極電流）id=0。隨著vgs逐漸升高，受柵極正電壓的吸引，在兩個擴(kuò)散區(qū)之間就感應(yīng)出帶負(fù)電的少數(shù)載流子，形成從漏極到源極的n型溝道，當(dāng)vgs大于管子的開啟電壓vtn（一般約為+2v）時，n溝道管開始導(dǎo)通，形成漏極電流id。下面對irf150n溝道增強(qiáng)型mosfet 的特性進(jìn)行分析 圖2 mos管特性分析irf150器件的參數(shù)vth=2.831v3.1 電壓增益 電壓增益是指輸出電壓和輸入電壓的比值,即電壓放大倍數(shù) 圖3 低頻電壓

10、增益低頻電壓增益，由圖可知在低頻段小于100khz時，低頻電壓增益大約為29，當(dāng)高于100khz時增益急劇減少。3.2 輸出電阻r輸出電阻是表明放大電路帶負(fù)載的能力，r 大，表明放大電路帶負(fù)載的能力差，反之則強(qiáng)。 圖4 輸出電阻由圖可見，輸出電阻在低頻時是485k,是大電阻，故電路負(fù)載的能力較差。3.3 上限截止頻率 圖5 上限截止頻率輸出電阻r變化對上限截止頻率的影響 圖6 上限截止頻率與輸出電阻關(guān)系 由圖6可知，輸出電阻r變化對上限截止頻率的影響較大，r越大，上限截止頻率越大。3.1. 放大電路設(shè)計(jì)cmos單級放大電路有兩個電流源，四個mos管組成，圖形如下：圖7 cmos放大電路如圖所示

11、，電路的電壓增益，其中，m1，m2兩管輸出電阻rds1，rds2與靜態(tài)工作電流idq有關(guān)，idq越小，其阻值越大。m1管跨導(dǎo)gml與它的w/l成正比，因此，適當(dāng)?shù)販p小工作電流idq1=idq2，加大m1管的w/l可以提高電壓增益，現(xiàn)取m4的w/l=8/100，m1的w/l=60/4，其他參數(shù)不變，對電路進(jìn)行類似的分析，可得vgg=1.570v，id1=id2=117ma，id3=id4=497ma，gml=4.11104a/v，rds1=1/gds1=1/(3.0910-6)332 k.可見參數(shù)修改后，gm1約有所提高，rds1和rds2均明顯增加，對電路進(jìn)行交流小信號分析，得低頻電壓增益約為

12、67.4，符合要求5。3.2 仿真及結(jié)果分析本文使用orcad 10.5對設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真。cadence orcad 10.5, 讓pcb的設(shè)計(jì)進(jìn)入更細(xì)節(jié)階段。與pspice結(jié)合可應(yīng)用于在allegro平臺上。此套組系為一完整涵蓋前端至后端、使用微軟視窗平臺的流程，可以供印刷電路板(pcb) 設(shè)計(jì)師透過工具整合與程式自動化改善生產(chǎn)力與縮段進(jìn)入市場的時間。orcad 10.5 包括供設(shè)計(jì)輸入的orcad capturer ，供類比與混合訊號模擬用的 pspicer a/d basics，供電路板設(shè)計(jì)的 orcad layoutr 以及供高密度電路板自動繞線的specctrar 4u。新加入的

13、specctra，用以支援設(shè)計(jì)日益復(fù)雜的各種高速、高密度印刷電路板設(shè)計(jì)。specctra 提供設(shè)計(jì)師一種以形狀為基礎(chǔ)的，功能強(qiáng)大的繞線器，可在減少使用者介入情況下完成各種復(fù)雜設(shè)計(jì)6。直流傳輸特性： 圖8. 直流傳輸特性取rs=200 ，對電路進(jìn)行直流掃描分析，得傳輸特性曲線如圖，由圖中曲線可以看出，當(dāng)vgg1 v時，m1截止，m2工作在可變電阻區(qū)，（id2=0,vds2=0）,輸出電壓vo=v=10v，當(dāng)1vvgg1.91v時，曲線彎曲， vo=v6時緩慢下降，該區(qū)域內(nèi)，m1工作在飽和區(qū)，但電流id1=id2較小，m2仍工作在可變電阻區(qū)，當(dāng)1.91v vgg2.09v時，m1，m2兩管同時工作

14、在飽和區(qū)，vo=v6時隨vgg的增加線形下降，曲線較徒，該區(qū)域是線形放大區(qū)；當(dāng)vgg1.91 v后，m1進(jìn)入可變電阻區(qū)，（m2工作在飽和區(qū)），因而曲線隨vgg的增加而緩慢下降。很明顯，為了使電路具有良好的線形放大作用，輸出電壓vo應(yīng)限定在7.8v-1.0v之間變化，既工作在上述線形放大區(qū)內(nèi).電壓增益的頻響特性 圖9. 電壓增益的頻響特性取rs=200，1k和100k時的電壓增益avs=vo/vs的頻幅特性曲線，如圖所示，其中以符號，和標(biāo)示的曲線分別是rs=200，1k和100k時的結(jié)果，它們的低頻增益均為38.54，上限截止fh分別為22.80mhz，10.98mhz及1.896mhz。表明信

15、號源內(nèi)阻rs的大小不影響低頻增益（因?yàn)閙os管m1輸入電阻及大），但會明顯影響高頻響應(yīng)特性，rs越大，上限截止頻率fh越底，這是由于m1的柵極對地存在寄生電容，該電容和rs一起構(gòu)成了低通網(wǎng)絡(luò)的原因，可見，在實(shí)際應(yīng)用中，信號源內(nèi)阻rs不宜過大。輸出阻抗特性 圖10. 輸出阻抗特性電路輸出阻抗特性如圖，輸出電阻ro98.84k。由于輸出電阻較大，故負(fù)載能力較差。4 體會與展望通過這次課程設(shè)計(jì)，加深了我對pspice程序應(yīng)用的體會，用pspice對電路進(jìn)行仿真，遇到了很多難題，如對軟件不熟練，介紹軟件的教材很多地方看不懂，在軟件的使用方面，靠自己慢慢摸索，走了不少彎路后來通過馬磊同學(xué)的幫助和指導(dǎo)，讓

16、我學(xué)會了不少東西，做起來也得心應(yīng)手。5 參考文獻(xiàn)1 蔡明生, 黎福海, 許文玉. 電子設(shè)計(jì)m. 北京: 高等教育出版社, 2004. 2 童詩白, 華成英. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第三版)m. 北京： 高等教育出版社, 2001. 3 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版)m. 北京: 高等教育出版社, 1998.4 anantha chandrakasan. 數(shù)字集成電路電路系統(tǒng)與設(shè)計(jì)(第二版)m. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2006.5 高文煥, 汪蕙. 模擬電路的計(jì)算機(jī)分析與設(shè)計(jì)pspice程序應(yīng)用m. 北京: 清華大學(xué)出版社, 1999. 6 陳東. orcad電路設(shè)計(jì)m. 北京: 國防工業(yè)出

17、版社, 20047 致謝首先感謝我的指導(dǎo)老師*教授，課程設(shè)計(jì)報(bào)告初稿完成后，*老師給予了悉心的指導(dǎo)，提出了不少改進(jìn)意見，才使得該報(bào)告得到完善其次，我要感謝*同學(xué)，我在編寫程序過程中，碰到了不少困難，在他的指導(dǎo)和幫助下，我才成功的通過程序編譯，并得到正確的結(jié)果同時，我要感謝班上的同學(xué)們，在做報(bào)告的過程中是他們跟我探討了不少問題，在我遇到困難的時候是他們給予了我耐心的幫助最后，我要感謝永遠(yuǎn)在我背后默默支持我的父母附錄程序代碼the cmos ampm1 6 3 0 0 mod1 w=60u l=6u ad=80p as=80pm2 6 4 5 5 mod2 w=60u l=10u ad=100p

18、as=100pm3 4 4 5 5 mod2 w=60u l=20u ad=200p as=200pm4 4 4 0 0 mod1 w=8u l=50u ad=500p as=500p.model mod1 nmos level=1 vto=1.0 gamma=0.2 phi=0.6 lambda=0.03 js=0.16 pb=0.82 cgso=2.9e-10+ cgdo=2.9e-10 cgbo=2.2e-9 rsh=6 tox=9.5e-8 nsub=2.5e14 xj=1.2u ld=0.8u uo=700.model mod2 pmos level=1 vto=-0.9 gamma

19、=0.2 phi=0.6 lambda=0.03 js=0.16 pb=0.82 cgso=2.9e-10+ cgdo=2.9e-10 cgbo=2.2e-9 rsh=30 tox=9.5e-8 nsub=1.5e14 xj=1.0u ld=0.8u uo=235rs 2 3 rmod 1.model rmod res(r=200)vdd 5 0 10vgg 1 0 1.997vs 2 1 ac 1*cout 6 7 10u*vout 7 0 ac.op.dc vgg 0 4 0.001.step res rmod(r) list 200 10k 100k.ac dec 10 1k 100me

20、g.probe.endoutput file* 08/11/07 13:27:03 * pspice 10.5.0 (jan 2005) * id# 2090009937 the cmos amp * circuit description*m1 6 3 0 0 mod1 w=60u l=6u ad=80p as=80pm2 6 4 5 5 mod2 w=60u l=10u ad=100p as=100pm3 4 4 5 5 mod2 w=60u l=20u ad=200p as=200pm4 4 4 0 0 mod1 w=8u l=50u ad=500p as=500p*.model mod

21、1 nmos level=1 vto=1.0 gamma=0.2 phi=0.6 lambda=0.03 js=0.16 pb=0.82 cgso=2.9e-10+ cgdo=2.9e-10 cgbo=2.2e-9 rsh=6 tox=9.5e-8 nsub=2.5e14 xj=1.2u ld=0.8u uo=700*.model mod2 pmos level=1 vto=-0.9 gamma=0.2 phi=0.6 lambda=0.03 js=0.16 pb=0.82 cgso=2.9e-10+ cgdo=2.9e-10 cgbo=2.2e-9 rsh=30 tox=9.5e-8 nsu

22、b=1.5e14 xj=1.0u ld=0.8u uo=235*rs 2 3 rmod 1.model rmod res(r=200)vdd 5 0 10vgg 1 0 1.997vs 2 1 ac 1*cout 6 7 10u*vout 7 0 ac.op.dc vgg 0 4 0.001*.step res rmod(r) list 200 10k 100k*.ac dec 10 1k 100meg.probe.end* 08/11/07 13:27:03 * pspice 10.5.0 (jan 2005) * id# 2090009937 the cmos amp * mosfet m

23、odel parameters* mod1 mod2 nmos pmos level 1 1 l 100.000000e-06 100.000000e-06 w 100.000000e-06 100.000000e-06 ld 800.000000e-09 800.000000e-09 vto 1 -.9 kp 25.444220e-06 8.541988e-06 gamma .2 .2 phi .6 .6 lambda .03 .03 rsh 6 30 is 10.000000e-15 10.000000e-15 js .16 .16 pb .82 .82 pbsw .82 .82 cj 5

24、0.300620e-06 38.962690e-06 cjsw 0 0 cgso 290.000000e-12 290.000000e-12 cgdo 290.000000e-12 290.000000e-12 cgbo 2.200000e-09 2.200000e-09 nsub 250.000000e+12 150.000000e+12 tox 95.000000e-09 95.000000e-09 xj 1.200000e-06 1.000000e-06 uo 700 235 ucrit 10.000000e+03 10.000000e+03 diomod 1 1 vfb 0 0 let

25、a 0 0 weta 0 0 u0 0 0 temp 0 0 vdd 0 0 xpart 0 0 * 08/11/07 13:27:03 * pspice 10.5.0 (jan 2005) * id# 2090009937 the cmos amp * resistor model parameters* rmod r 200 * 08/11/07 13:27:03 * pspice 10.5.0 (jan 2005) * id# 2090009937 the cmos amp * small signal bias solution temperature = 27.000 deg c*

26、node voltage node voltage node voltage node voltage( 1) 1.9970 ( 2) 1.9970 ( 3) 1.9970 ( 4) 6.7577 ( 5) 10.0000 ( 6) 4.4283 voltage source currents name current vdd -2.792e-04 vgg 0.000e+00 vs 0.000e+00 total power dissipation 2.79e-03 watts* 08/11/07 13:27:03 * pspice 10.5.0 (jan 2005) * id# 2090009937 the cmos amp * operating point information temperature = 27.000 deg c* mosfetsname m1 m2 m3 m4 model mod1 mod2 mod2 mod1 id 1.95e-04 -1.95e-04 -8.38e-05 8.38e-05 vgs 2.00e+00 -3.24e+00 -3.24e+00 6.76e+00 vds 4.43e+00 -5.57e+00 -3.24e+00 6.76e+00 vbs 0.00e+