北郵cmos實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院北京郵電大學(xué) CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告 實(shí)驗(yàn)一 共源級放大器性能分析 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?#160;1、掌握synopsys軟件啟動(dòng)和電路原理圖（schematic）設(shè)計(jì)輸入方法； 2、掌握使用synopsys電路仿真軟件custom designer對原理圖進(jìn)行電路特性仿真； 3、輸入共源級放大器電路并對其進(jìn)行DC、AC分析，繪制曲線； 4、深入理解共源級放大器的工作原理以及mos管參數(shù)的改變對放大器性能的影響 二、實(shí)驗(yàn)要求 1、啟動(dòng)synopsys，建立庫及Cellview文件。 

2、;2、輸入共源級放大器電路圖。 3、設(shè)置仿真環(huán)境。 4、仿真并查看仿真結(jié)果，繪制曲線。 三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 1、R1=1K電路圖 幅頻與相位曲線參數(shù)圖2、 R1=10K的原理圖幅度與相位圖參數(shù)圖 實(shí)驗(yàn)二 差分放大器設(shè)計(jì) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?#160;1.掌握差分放大器的設(shè)計(jì)方法； 2.掌握差分放大器的調(diào)試與性能指標(biāo)的測試方法。 二、實(shí)驗(yàn)要求 1.確定放大電路； 2.確定靜態(tài)工作點(diǎn)Q； 3.確定電路其他參數(shù)。 4.電壓放大倍數(shù)大于20dB，盡量增大GBW，設(shè)計(jì)差分放大器； 5.對

3、所設(shè)計(jì)電路調(diào)試； 6.對電路性能指標(biāo)進(jìn)行測試仿真，并對測量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算和誤差分析。三、實(shí)驗(yàn)原理平衡態(tài)下小信號的差動(dòng)電壓增益為：4、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果RW/L40302010533K22dB21dB21dB20dB18dB50K26dB25dB25dB24dB22dB100K32dB31dB31dB30dB28dB改變W/L和柵極電阻，可以看到，R一定時(shí)，隨著W/L增加，增益增加，W/L一定時(shí)，隨著R的增加，增益也增加。但從仿真特性曲線我們可以知道，這會限制帶寬的特性，W/L增大時(shí)，帶寬會下降。為保證帶寬， 選取W/L=5，R=50K的情況下的數(shù)值，保證了帶寬約為1.73GHZ，可以

4、符合系統(tǒng)的功能特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下圖。  實(shí)驗(yàn)三 電流源負(fù)載差分放大器設(shè)計(jì) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?#160;1.掌握電流源負(fù)載差分放大器的設(shè)計(jì)方法； 2.掌握差分放大器的調(diào)試與性能指標(biāo)的測試方法。 二、實(shí)驗(yàn)要求 1.設(shè)計(jì)差分放大器，電壓放大倍數(shù)大于30dB； 2.對所涉及的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試； 3.對電路性能指標(biāo)進(jìn)行測試仿真，并對測量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算和誤差分析。 三、實(shí)驗(yàn)原理              

5、;             電流鏡負(fù)載的差分對 傳統(tǒng)運(yùn)算放大器的輸入級一般都采用電流鏡負(fù)載的差分對。如上圖所示。NMOS器件M1和M2作為差分對管，P溝道器件M4，M5組成電流源負(fù)載。電流0I 提供差分放大器的工作電流。如果M4和M5相匹配，那么M1電流的大小就決定了M4電流的大小。這個(gè)電流將鏡像到M5。 如果VGS1=VGS2，則Ml和M2的電流相同。這樣由M5通過M2的電流將等于是IOUT為零時(shí)M2所需要的電流。如果VGS1>VGS2，

6、由于I0=ID1+ID2，ID1相對ID2要增加。ID1的增加意味著ID4和ID5也增大。但是，當(dāng)VGS1變的比VGS2大時(shí)，ID2應(yīng)小。因此要使電路平衡，IOUT必須為正。輸出電流IOUT等于差分對管的差值，其最大值為I0。這樣就使差分放大器的差分輸出信號轉(zhuǎn)換成單端輸出信號。反之如果VGS1<VGS2，將變成負(fù)。 假設(shè)M1和M2差分對總工作在飽和狀態(tài)，則可推導(dǎo)出其大信號特性。描述大信號性能的相應(yīng)關(guān)系如下：  式(1)中，VID表示差分輸入電壓。 上面假設(shè)了M1 和M2 相匹配。將式(1)代入(2)中得到一個(gè)二次方程，可得出解。

7、   上圖是歸一化的M1 的漏電流與歸一化差分輸入電壓的關(guān)系曲線，也即是CMOS差分放大器的大信號轉(zhuǎn)移特性曲線。 該放大器的小信號特性參數(shù)等效跨導(dǎo) 從圖2可以看出，在平衡條件下，M2和M5的輸出電阻分別為：  于是該放大器的電壓增益為：  四，實(shí)驗(yàn)結(jié)果W/LPMOSW/LNMOS5004003002002037.338.032.336.03034.333.632.731.55038.237.336.935.5電路圖幅頻特性曲線 實(shí)驗(yàn)五 共源共柵電流鏡設(shè)計(jì)1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜ぼ浖褂?，了解Cadence軟件的

8、設(shè)計(jì)過程，掌握電流鏡的相關(guān)知識和技術(shù)，設(shè)計(jì)集成電路實(shí)現(xiàn)所給要求2、 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題目及要求1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題目。低輸出電壓高輸出電阻的電流鏡設(shè)計(jì)。包括基本共源共柵電流鏡設(shè)計(jì)和低壓共源共柵電流鏡設(shè)計(jì)。2. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求1. 電流比1：1.2. 輸出電壓最小值0.5V.3. 輸出電流變化范圍5100uA。3、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容共源共柵電流鏡設(shè)計(jì)基本參數(shù)確定。1、 設(shè)計(jì)變量初值估算2、 驗(yàn)證直流工作點(diǎn)4、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果  實(shí)驗(yàn)五 兩級運(yùn)算放大器設(shè)計(jì) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?#160;熟悉軟件的使用，了解synopsys軟件的設(shè)計(jì)過程。掌握電流鏡的相關(guān)知識和技術(shù)，設(shè)計(jì)集成電路實(shí)現(xiàn)所給要求。 二、實(shí)驗(yàn)

9、要求 單級放大器輸出對管產(chǎn)生的小信號電流直接流過輸出電阻，因此單級電路的增益被抑制在輸出對管的跨導(dǎo)與輸出阻抗的乘積。在單級放大器中，增益是與輸出擺幅相矛盾的。要想得到大的增益我們可以采用共源共柵結(jié)果來極大的提高出阻抗的值，但是共源共柵中堆疊的MOS管不可避免的減少了輸入電壓的范圍。因?yàn)槎嘁粚庸茏又辽僭黾右粋€(gè)對管子的過驅(qū)動(dòng)電壓。這樣在共源共柵結(jié)構(gòu)的增益與輸出電壓矛盾。為了緩解這種矛盾引入兩級運(yùn)放，在兩級運(yùn)放中將這兩個(gè)點(diǎn)在不同級實(shí)現(xiàn)。如本設(shè)計(jì)中的兩級運(yùn)放，大的增益靠第一級與第二級級聯(lián)而組成，而大的輸出電壓范圍靠第二級的共源放大器來獲得。  設(shè)計(jì)一個(gè)COMS兩級放大電路

10、，滿足以下指標(biāo)： AV=5000V/V（74dB）  VDD=2.5V   VSS=-2.5V GB=5MHz   CL=5pf   SR>10V/us   相位裕度=60度 VOUT范圍=-2,2V   ICMR=-12V   Pdiss<=2mW3、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容   圖中有多個(gè)電流鏡結(jié)構(gòu)，M5,M8組成電流鏡，流過M1的電流

11、與流過M2電流ID1,2=ID3,4=1/2*ID5，同時(shí)M3，M4組成電流鏡結(jié)構(gòu)，如果M3和M4管對稱，那么相同的結(jié)構(gòu)使得在x，y兩點(diǎn)的電壓在Vin的共模輸入范圍內(nèi)不隨著Vin的變化而變化，為第二極放大器提供了恒定的電壓和電流。圖1所示，Cc為引入的米勒補(bǔ)償電容。利用表1、表2中的參數(shù)第一級差分放大器的電壓增益為第二極共源放大器的電壓增益為所以二級放大器的總的電壓增益為相位裕量有要求60°的相位裕量，假設(shè)RHP零點(diǎn)高于10GB以上因此由補(bǔ)償電容最小值2.2pF，為了獲得足夠的相位裕量我們可以選定Cc=3pF 考慮共模輸入范圍： 在最大輸入情況下，考慮M1處在飽和

12、區(qū)，有而電路一些基本指標(biāo)下面用ICMR的要求計(jì)算(W/L)3用負(fù)ICMR公式計(jì)算由式（12）我們可以得到下式進(jìn)而推出為了得到60°的相位裕量，的值近似起碼是輸入級跨導(dǎo)的10倍，我們設(shè)，為了達(dá)到第一級電流鏡負(fù)載（M3和M4）的正確鏡像，要求=，圖中x，y點(diǎn)電位相同我們可以得到進(jìn)而由我們可以得到直流電流同樣由電流鏡原理，我們可以得到  四、實(shí)驗(yàn)原理 電路結(jié)構(gòu): 最基本的 COMS 二級密勒補(bǔ)償運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的結(jié)構(gòu)如圖所示。主要包括四部分：第一級輸入級放大電路、第二級放大電路、偏置電路和相位補(bǔ)償電路。 相位補(bǔ)償:

13、0;     電路有至少四個(gè)極點(diǎn)和兩個(gè)零點(diǎn)，假定 z2、p3、p4 以及其它寄生極點(diǎn)都遠(yuǎn)大于 GBW，若不考慮零點(diǎn)z1，僅考慮第二極點(diǎn)p2，那么這是一個(gè)典型的兩極點(diǎn)決定的系統(tǒng)。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，通常要求有 63°左右的相位裕度，即保持頻率階躍響應(yīng)的最大平坦度以及較短的時(shí)間響應(yīng)。 但在考慮 z1之后， 這個(gè)右半平面 （RHP） 的零點(diǎn)在相位域上相當(dāng)于左半平面 （LHP）的極點(diǎn)，所以相位裕度會得到惡化。同時(shí)如果為了將兩個(gè)極點(diǎn)分離程度增大，則補(bǔ)

14、償電容Cc 就要增大，這也會使得零點(diǎn)減小，進(jìn)一步犧牲相位裕度，如圖所示5、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果  電路圖 實(shí)驗(yàn)總結(jié)及問題解決 實(shí)驗(yàn)中的問題 感謝助教老師的幫助和耐心講解，讓我們在解決問題的同時(shí)學(xué)習(xí)到了更多的知識，在實(shí)驗(yàn)過程我們遇到了一些問題，總結(jié)如下：  1.一開始我們不知道怎么看前后的放大倍數(shù)，后來是助教告訴我們要看縱坐標(biāo)的分貝數(shù)進(jìn)行比較。  2.我們的原件參數(shù)設(shè)置不是太合理，最開始計(jì)算出來的值并不是很能用，后來經(jīng)過不斷的修改才調(diào)試出最適合的參數(shù)。  實(shí)驗(yàn)心得體會  通過第一次實(shí)驗(yàn)，初步掌握了Synopsys軟件的設(shè)計(jì)和仿真過程，學(xué)會了基本操作，解決了一些常見誤區(qū)和問題。  接下來的幾次試驗(yàn)都是有助教給好的原理圖，我們根據(jù)原理圖畫好電路，自行仿真得出實(shí)驗(yàn)要求的參數(shù)，并給老師驗(yàn)收。整個(gè)過程中雖然一開始出現(xiàn)了錯(cuò)誤，后來慢慢學(xué)會了合理分配參數(shù)。  最后一次實(shí)驗(yàn)需要自行設(shè)計(jì)，對我們來說也十分有挑戰(zhàn)，自行查閱書本后不僅了解了電路的原理，還要自己設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。我們花了1個(gè)小時(shí)的時(shí)間對所有元件進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)和計(jì)算，不斷逼近要求的值。 通過整個(gè)的實(shí)驗(yàn)過程，感到Synopsys得功能很強(qiáng)大，但有一些操作比較復(fù)雜。跟以往我們用的模電的軟件不同。通過這幾次COMS設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，讓我們將課堂上學(xué)習(xí)的理論知識運(yùn)用到實(shí)踐中，在