集成電路設計基礎課程設計單級CMOS放大電路的設計與仿真

1、單級CMOS放大電路的設計與仿真摘要：本文對單擊CMOS放大器電路進行設計和仿真。首先將對CMOS管進行簡單介紹和進行特性分析，并對單級CMOS放大電路的設計原理做了簡單介紹。然后根據設計要求，通過Hspice軟件仿真系統(tǒng)對單級CMOS放大電路進行仿真，包括直流工作點的分析，瞬態(tài)分析，傅里葉分析。并對其靜態(tài)工作點和交流小信號分析做出闡述。從而使我們了解到模擬CMOS集成電路的一般設計方法和思路，以及Hspice軟件的一些基本操作和防真功能。通過實際操作進一步了解CMOS的特性以及在我們的實際生活中具有什么樣的地位。關鍵詞：直流工作點分析、單級CMOS放大電路、仿真操作、CMOS晶體管、瞬態(tài)分析

2、、傅里葉分析、HspiceAbstract:The click CMOS amplifier circuit design and simulation. The first of CMOS tube was introduced and the characteristics are analyzed, and on the single stage CMOS amplifying circuit design principle was briefly introduced. Then according to design requirements, through the Hspice

3、 software simulation system on single CMOS amplification circuit simulation, including DC operating point analysis, transient analysis, Fourier analysis. And the static working point and make the small signal analysis. In order to make us understand the analog CMOS integrated circuit design method a

4、nd train of thought, as well as the Hspice software of some of the basic operation and function of preventing it. Through the actual operation to further understand the characteristics of CMOS and our real life have what kind of positionKey word.Analysis of DC, single stage CMOS amplification circui

5、t, simulation operation, CMOS transistor, transient analysis, Fourier analysis, Hspice1. 綜述：金屬氧化物半導體場效應晶體管，簡稱金氧半場效應晶體管。是一種可以廣泛使用在模擬電路與數字電路的場效應晶體管。金屬氧化物半導體場效應晶體管依照其“溝道”的極性不同，可分為電子占多數的N溝道型與空穴占多數的P溝道型，通常又稱為N型金氧半場效應晶體管（NMOSFET）與P型金氧半場效應晶體管（PMOSFET）。0世紀最初的10年，通信系統(tǒng)已開始應用半導體材料。20世紀上半葉，在無線電愛好者中廣泛流行的礦石收音機，就采用

6、礦石這種半導體材料進行檢波。半導體的電學特性也在電話系統(tǒng)中得到了應用。 晶體管的發(fā)明，最早可以追溯到1929年，當時工程師利蓮費爾德就已經取得一種晶體管的專利。但是，限于當時的技術水平，制造這種器件的材料達不到足夠的純度，而使這種晶體管無法制造出來。 由于電子管處理高頻信號的效果不理想，人們就設法改進礦石收音機中所用的礦石觸須式檢波器。在這種檢波器里，有一根與礦石（半導體）表面相接觸的金屬絲（像頭發(fā)一樣細且能形成檢波接點），它既能讓信號電流沿一個方向流動，又能阻止信號電流朝相反方向流動。在第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)前夕，貝爾實驗室在尋找比早期使用的方鉛礦晶體性能更好的檢波材料時，發(fā)現摻有某種極微量雜質

7、的鍺晶體的性能不僅優(yōu)于礦石晶體，而且在某些方面比電子管整流器還要好。947年12月，美國貝爾實驗室的肖克利、巴丁和布拉頓組成的研究小組，研制出一種點接觸型的鍺晶體管。晶體管的問世，是20世紀的一項重大發(fā)明，是微電子革命的先聲。晶體管出現后，人們就能用一個小巧的、消耗功率低的電子器件，來代替體積大、功率消耗大的電子管了。晶體管的發(fā)明又為后來集成電路的降生吹響了號角。 電力晶體管放大現象存在于各種場合，例如，利用放大鏡放大微小物體，這是光學中的放大；利用杠桿原理用小力移動物體，這是力學中的放大；利用變壓器降低電壓變換成高電壓，這是電學中的放大。研究他們的共同特點，一是都將物體形狀或大小的差異按一定

8、比例放大了，而是放大前后能量守恒，例如，杠桿原理中前后端做功相同，理想變壓器的原、副邊功率相等。放大器有一些比較重要的參數：增益、速度、功耗、電源電壓、線性度、噪聲、最大電壓擺幅。而這些參數中，增益和速度是這其中最重要的參數，他們對于放大器的性能有著很大的影響。更進一步，輸入輸出阻抗決定電路該如何與前級和后級相互配合。在實際中，這些參數中的大多數都會相互牽制，這將導致設計變成一個對為優(yōu)化的問題。放大的前提是不失真，機只有在不失真的情況下放大才有意義。晶體管和場效應管是放大電路的核心元件，只有他們工作再合適的區(qū)域（晶體管工作再放大區(qū)、場效應管工作在橫流區(qū)），才能使輸出量和輸入量始終保持線性關系，

9、即電路才不會產生失真。由于任何穩(wěn)態(tài)信號都可分解為若干頻率正弦信號的疊加，所以，放大電路常以正弦波形式作為測試信號。在大多數模擬電路和許多數字電路中，放大是一種基本的功能。我們放大一個模擬或數字信號是因為這個信號太小而不能驅動負載，而不能克服后繼的噪聲或者是不能為數字電路提供邏輯電平。放大器的輸入輸出特性通常是一個在一定信號范圍內可以用一個多項式來描述的非線性函數：輸入輸出可以使電流值也可以是電壓值。放大電路的組成原則：1）靜態(tài)工作點合適：合適的直流電源，合適的電路參數（2）動態(tài)信號能夠作用于有源器件的輸入回路，在負載上 能夠獲得放大了的動態(tài)信號。（3）對實用放大電路的要求：共地、直流電源種類盡

10、可能 少、負載上無直流分量。通常放大電路中直流電源和交流信號的作用共存，并且由于電路中電抗元件的存在，交流電流和直流電流流過的通路是不一樣的，使電路的分析復雜化。為簡化分析，在分析時將它們分開作用，引入直流通路和交流通路的概念。放大器主要分為四類：共源結構、共刪結構、源跟隨器、和共源共刪結構。模擬最初CMOS即使只用于數字設計，但是降低成本和增加集成電路功能的持續(xù)推動力以使其用于模擬、模擬數字和混合信號（包含模擬電路和數字信號處理的芯片）設計。將CMOS技術用于模擬設計時主要考慮匹配。匹配時用于描述兩個相同晶體管電學特性一致性的詞匯。匹配程度通常限制了設計的質量（例如，監(jiān)視器的清晰度測量的精度

11、等）。HSpice簡介隨著微電子技術的迅速發(fā)展以及集成電路規(guī)模不斷提高，對電路性能的設計要求越來越嚴格，這勢必對用于大規(guī)模集成電路設計的EDA 工具提出越來越高的要求。自1972 年美國加利福尼亞大學柏克萊分校電機工程和計算機科學系開發(fā)的用于集成電路性能分析的電路模擬程序SPICE（Simulation Program with IC Emphasis）誕生以來，為適應現代微電子工業(yè)的發(fā)展，各種用于集成電路設計的電路模擬分析工具不斷涌現。HSPICE 是Meta-Software 公司為集成電路設計中的穩(wěn)態(tài)分析，瞬態(tài)分析和頻域分析等電路性能的模擬分析而開發(fā)的一個商業(yè)化通用電路模擬程序，它在柏克

12、萊的SPICE（1972 年推出），MicroSim公司的PSPICE （1984 年推出）以及其它電路分析軟件的基礎上，又加入了一些新的功能，經過不斷的改進，目前已被許多公司、大學和研究開發(fā)機構廣泛應用。HSPICE 可與許多主要的EDA 設計工具，諸如Cadence,Workview 等兼容，能提供許多重要的針對集成電路性能的電路仿真和設計結果。采用HSPICE 軟件可以在直流到高于100MHz 的微波頻率范圍內對電路作精確的仿真、分析和優(yōu)化。在實際應用中， HSPICE能提供關鍵性的電路模擬和設計方案，并且應用HSPICE進行電路模擬時，其電路規(guī)模僅取決于用戶計算機的實際存儲器容量。Av

13、ant! Start-Hspice（現在屬于Synopsys公司）是IC設計中最常使用的電路仿真工具，是目前業(yè)界使用最為廣泛的IC設計工具，甚至可以說是事實上的標準。目前，一般書籍都采用Level 2的MOS Model進行計算和估算，與Foundry經常提供的Level 49和Mos 9、EKV等Library不同，而以上Model要比Level 2的Model復雜的多，因此Designer除利用Level 2的Model進行電路的估算以外，還一定要使用電路仿真軟件Hspice、Spectre等進行仿真，以便得到精確的結果。本文將從最基本的設計和使用開始，逐步帶領讀者熟悉Hspice的使用，

14、并對仿真結果加以討論，并以一個運算放大器為例，以便建立IC設計的基本概念。在文章的最后還將對Hspice的收斂性做深入細致的討論。Star-Hspice 與絕大多數SPICE的變種相兼容，并有如下附加的特征： 優(yōu)秀的收斂性 、精確的模型，包括許多加工模型 層次節(jié)點命名參考 、對模型和電路單元的最優(yōu)化，在AC，DC和瞬態(tài)仿真中，帶有遞增和同步的多參數優(yōu)化。 帶解釋的Monte Carlo和極壞設計支持?？蓞祷瘑卧妮斎胼敵黾靶袨樗阈g描述（algebraics）有對高級邏輯仿真器校驗庫模型的單元特征化工具。 對PCB板，多芯片，包裝，IC技術的幾何損耗耦合傳輸線。 離散部件，針腳，包裝和銷售商I

15、C庫 。來自于多重仿真的AvanWaves 交互式波形圖和分析。2、單級CMOS放大電路的設計2.1 MOS管介紹：CMOS晶體管（金屬-氧化-半導體）（Metal-Oxide-Semi Conductor）結構的晶體管簡稱MOS晶體管，有P型MOS管和N型MOS管之分。由MOS管構成的集成電路稱為MOS集成電路，而有PMOS管和NMOS管共同構成的互補型MOS集成電路即為CMOS-IC(Complementary MOS Integrated Circuit)。 目前使用最最廣泛的晶體管是CMOS晶體管，CMOS晶體管特點首先CMOS晶體管功耗和抗干擾能力優(yōu)于同時期的TTL器件，而且速度和T

16、TL器件相當，所以CMOS取代TTL是大勢所趨，我們看到目前集成電路上的晶體管還有幾乎所有PLD器件都是采用CMOS技術，這一點就說明了CMOS的大行其道。 放大器的特點：放大器有一些比較重要的參數：增益、速度、功耗、電源電壓、線性度、噪聲、最大電壓擺幅。而這些參數中，增益和速度是這其中最重要的參數，他們對于放大器的性能有著很大的影響。更進一步，輸入輸出阻抗決定電路該如何與前級和后級相互配合。在實際中，這些參數中的大多數都會相互牽制，這將導致設計變成一個對為優(yōu)化的問題。在大多數模擬電路和許多數字電路中，放大是一種基本的功能。我們放大一個模擬或數字信號是因為這個信號太小而不能驅動負載，而不能克服

17、后繼的噪聲或者是不能為數字電路提供邏輯電平。放大在反饋系統(tǒng)中也起著重要作用。在分析每個電路的大信號特性和小信號特性時，我們建立一些直觀的方法和模型，這些方法和模型對于理解更復雜的系統(tǒng)被證明是有效的。電路設計者任務的一個重要部分就是適當的近似來建立復雜電路的簡單的智力模型。這樣獲得的直覺知識是我們通過觀察就能用公式表示大多數電路的特性，而不需要通過冗長的計算。2.2 MOS特性分析1.MOS管種類和結構   MOSFET管是FET的一種（另一種是JFET），可以被制造成增強型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型，但實際應用的只有增強型的N溝道MOS管和增強型的P溝道MOS管，所

18、以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。 對于這兩種增強型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導通電阻小，且容易制造。所以開關電源和馬達驅動的應用中，一般都用NMOS。下面的介紹中，也多以NMOS為主。 MOS管的三個管腳之間有寄生電容存在，這不是我們需要的，而是由于制造工藝限制產生的。寄生電容的存在使得在設計或選擇驅動電路的時候要麻煩一些，但沒有辦法避免，后邊再詳細介紹。在MOS管原理圖上可以看到，漏極和源極之間有一個寄生二極管。這個叫體二極管，在驅動感性負載（如馬達），這個二極管很重要。順便說一句，體二極管只在單個的MOS管中存在，在集成電路芯片內部通常是沒有的。1， MOS管導

19、通特性導通的意思是作為開關，相當于開關閉合。NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會導通，適合用于源極接地時的情況（低端驅動），只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會導通，適合用于源極接VCC時的情況（高端驅動）。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動，但由于導通電阻大，價格貴，替換種類少等原因，在高端驅動中，通常還是使用NMOS。2，MOS開關管損失 不管是NMOS還是PMOS，導通后都有導通電阻存在，這樣電流就會在這個電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導通損耗。選擇導通電阻小的MOS管會減小導通損耗?，F在的小功率MOS管導通電阻一般在幾十毫歐左右，

20、幾毫歐的也有。 MOS在導通和截止的時候，一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個下降的過程，流過的電流有一個上升的過程，在這段時間內，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關損失。通常開關損失比導通損失大得多，而且開關頻率越快，損失也越大。導通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大。縮短開關時間，可以減小每次導通時的損失；降低開關頻率，可以減小單位時間內的開關次數。這兩種辦法都可以減小開關損失。3,MOS管驅動跟雙極性晶體管相比，一般認為使MOS管導通不需要電流，只要GS電壓高于一定的值，就可以了。這個很容易做到，但是，我們還需要速度。在MOS管的結構中可以看到，在GS，GD之間

21、存在寄生電容，而MOS管的驅動，實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流，因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會比較大。選擇/設計MOS管驅動時第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。第二注意的是，普遍用于高端驅動的NMOS，導通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅動的MOS管導通時源極電壓與漏極電壓（VCC）相同，所以這時柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個系統(tǒng)里，要得到比VCC大的電壓，就要專門的升壓電路了。很多馬達驅動器都集成了電荷泵，要注意的是應該選擇合適的外接電容，以得到足夠的短路電流去驅動MOS管。上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導通電壓，

22、設計時當然需要有一定的余量。而且電壓越高，導通速度越快，導通電阻也越小?，F在也有導通電壓更小的MOS管用在不同的領域里，但在12V汽車電子系統(tǒng)里，一般4V導通就夠用了。4，MOS管應用電路 MOS管最顯著的特性是開關特性好，所以被廣泛應用在需要電子開關的電路中，常見的如開關電源和馬達驅動，也有照明調光。2.3單級CMOS放大電路的設計原理 由NMOS管和PMOS管組成的互補放大電路稱為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。原理圖如下： 圖1.單級CMOS放大電路原理圖3、原理圖的繪制以及電路的仿真3.1 軟件概述Star-Hspice有著無與倫比的優(yōu)勢用于快速精確的電路

23、和行為仿真。它使電路級性能分析變得容易，并且生成可利用的Monte Carlo、最壞情況、參數掃描（sweep），數據表掃描分析，而且還使用了最可靠的自動收斂特性。Star-Hspice是組成全套Avant！工具的基礎，并且為那些需要精確的邏輯校驗和電路模型庫的實際晶體管特性服務。被Star-Hspice仿真的電路的大小局限于計算機所使用的虛擬內存。Star-Hspice軟件對接口可用于各式各樣設計框架的各種計算機平臺作了優(yōu)化。   隨著微電子技術的迅速發(fā)展以及集成電路規(guī)模不斷提高，對電路性能的設計要求越來越嚴格，這勢必對用于大規(guī)模集成電路設計的EDA 工具提出越

24、來越高的要求。自1972 年美國加利福尼亞大學柏克萊分校電機工程和計算機科學系開發(fā)的用于集成電路性能分析的電路模擬程序SPICE（Simulation Program with IC Emphasis）誕生以來，為適應現代微電子工業(yè)的發(fā)展，各種用于集成電路設計的電路模擬分析工具不斷涌現。HSPICE 是Meta-Software 公司為集成電路設計中的穩(wěn)態(tài)分析，瞬態(tài)分析和頻域分析等電路性能的模擬分析而開發(fā)的一個商業(yè)化通用電路模擬程序，它在柏克萊的SPICE（1972 年推出），MicroSim公司的PSPICE （1984 年推出）以及其它電路分析軟件的基礎上，又加入了一些新的功能，經過不斷的

25、改進，目前已被許多公司、大學和研究開發(fā)機構廣泛應用。Hspice輸入網表文件為.sp文件，模型和庫文件為.inc和.lib，Hspice輸出文件有運行狀態(tài)文件.st0、輸出列表文件.lis、瞬態(tài)分析文件.tr#、直流分析文件.sw#、交流分析文件.ac#、測量輸出文件.m*#等。其中，所有的分析數據文件均可作為AvanWaves的輸入文件用來顯示波形。 HSPICE 可與許多主要的EDA 設計工具，諸如Cadence,Workview 等兼容，能提供許多重要的針對集成電路性能的電路仿真和設計結果。采用HSPICE 軟件可以在直流到高于100MHz 的微波頻率范圍內對電路作精確的仿真、分析和優(yōu)化

26、。在實際應用中， HSPICE能提供關鍵性的電路模擬和設計方案，并且應用HSPICE進行電路模擬時，其電路規(guī)模僅取決于用戶計算機的實際存儲器容量。3.2 原理圖的繪制運用Hspice軟件后根據上文中的原理圖繪制仿真電路如下圖2所示： 圖二。單級CMOS放大器的原理仿真圖3.3直流工作點的分析 圖3.單級CMOS 放大電路直流工作點分析圖直流工作點分析用于確定電路的靜態(tài)工作點。在進行直流分析時，假設交流源為零且電路處于穩(wěn)定狀態(tài)，也就是假定電容開路、電感短路、電路中的數字器件看作高阻接地。直流分析的結果常常作為以后分析的基礎。例如，直流分析所得的直流工作點作為交流分析時小信號非線性器件的線性工作區(qū)

27、；直流工作點作為暫態(tài)分析的初始條件。直流工作點的分析實在電路中電感短路。該分析無特別需要的分析參數設置。進行掃描可得下圖4：圖4.對電路直流掃描波形圖從圖中曲線可以看出，當時，M1截止，M2工作在可變電阻區(qū)，當1.91V2.09V時，M1, M2同時工作在飽和區(qū)，V0=V(6)增加線性下降，曲線較陡，該區(qū)域是線性放大區(qū)。當V。1.91后M1進入可變電阻區(qū)，因此，曲線隨Vgg的增加而緩慢下降。3.4動態(tài)性能指標的測試1.瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析不用考慮各種參數隨時間的變化，仿佛時間定格在那里 你能得到這時的各種物理參數（這一瞬時的）是物理研究中經常用到的一種方法。把隨時間變化是非復雜的事物 在時間上定格

28、 然后對其分析 總結規(guī)律 最后再應用到隨時間的變化上 得到總體的變化規(guī)律。 瞬態(tài)動力學分析用于確定結構在任意時間隨載荷變化作用下響應的一種分析方法，也稱為時間歷程分析。ANSYS瞬態(tài)動力學分析可以考慮材料、接觸、幾何非線性，也就是說允許各種非線性行為。該電路的瞬態(tài)分析后的波形圖如下圖5： 圖5.單級CMOS放大電路瞬態(tài)分析圖圖6：增益的變化圖7：輸入電阻分析圖圖8：輸出電阻分析圖2. 傅里葉分析傅里葉分析Fourier analysis 分析學中18世紀逐漸形成的一個重要分支，主要研究函數的傅里葉變換及其性質。又稱調和分析。 傅里葉分析Fourier analysis 分析學中18世紀逐漸形成

29、的一個重要分支，主要研究函數的傅里葉變換及其性質。又稱調和分析。在經歷了近2個世紀的發(fā)展之后，研究領域已從直線群、圓周群擴展到一般的抽象群。關于后者的研究又成為群上的傅里葉分析。傅里葉分析作為數學的一個分支，無論在概念或方法上都廣泛地影響著數學其它分支的發(fā)展。數學中很多重要思想的形成，都與傅里葉分析的發(fā)展過程密切相關。圖8：傅里葉分析波形圖3.5 仿真結果經過上面的直流分析和瞬態(tài)分析以及傅里葉分析可以得出該電路的輸出結果與設計所要求的結果基本吻合，符合預期的結果。雖然輸出有一些微小的差異，但都是可以的，在所得的仿真結果中除增益和速度之外，還有功耗，電源電壓，線性度，噪聲和最大電壓擺幅等參數猶為

30、重要。3.6 測量結果以及誤差分析：產生偏差的主要原因：1. 元器件本身的原因2. 測量時的讀數誤差3. 軟件本身原因所引起的誤差4. 溫度等外界環(huán)境所引起的原因4.總結：通過對單級放大器的設計以及仿真過程，讓我們更加明確該電路所辨識的電壓增益的計算。其中，M2、M4兩個管子的輸出電阻和靜態(tài)工作電流有關系，若電流越小，其阻值越大，M2管的跨導與其的寬長比成正比。因此，適當的建校工作電流，增大M2管的寬長比可以提高電壓增益。5.心得體會：經過兩個星期的課程設計，過程曲折可謂一語難盡。在此期間我也曾想放棄過，也曾一度興趣盎然。從開始時的躍躍欲試，到后來的艱難困擾，再到最后完成使得喜悅。這一切的一切

31、都記錄這我這一過程中一步一步走過來的足跡,j見證著我的努力與成長！還記得在最開始時的迷茫，在最開始時在不知方向的情況下亂闖的心情，再到后來一點一滴的積累，一步一步的前進，一點一點的結晶我們的目標！在這個過程中有驕躁、有無奈、有迷茫、不知所措、有灰心喪氣，但是也有欣喜、有快樂 有一種前所未有的成就感！而這就是我們的生活。汗水預示著結果也見證著收獲。勞動是人類生存生活永恒不變的話題。通過實習，我才真正領略到“艱苦奮斗”這一詞的真正含義，在我們之前，有多少前輩在這條不好走的路上留下了多少汗水、多少心血。我才意識到老一輩測繪為我們的社會付出。我想說，測繪確實有些辛苦，但苦中也有樂，在如今物欲很流的世界，很少有機會能與大自然親密接觸，但我們可以，而且測繪也是一個團隊的任務，一起的工作可以讓我們有說有笑，相互幫助，配合默契，多少人間歡樂在這里灑下，大學里一年的相處還趕不上這十來天的實習，我感覺我和同學們之間的距離更加近了；我想說，測繪確實很累，但當我們所測的數據制成成果時，心中也