北郵模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、題目: 模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì) 姓 名 學(xué) 院 專 業(yè) 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 班內(nèi)序號(hào) 實(shí)驗(yàn)一:共源級(jí)放大器性能分析1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、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(duì)原理圖進(jìn)行電路特性仿真；3、輸入共源級(jí)放大器電路并對(duì)其進(jìn)行DC、AC分析，繪制曲線；4、深入理解共源級(jí)放大器的工作原理以及mos管參數(shù)的改變對(duì)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、輸入共源級(jí)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、

2、電路圖2、仿真圖4、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析器件參數(shù)： NMOS管的寬長比為10，柵源之間所接電容1pF，Rd=10K。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：輸入交流電源電壓為1V，所得增益為12dB。由仿真結(jié)果有：gm=496u，R=10k，所以增益Av=496*10/1000=4.96=13.91 dB實(shí)驗(yàn)二:差分放大器設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.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(cè)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(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試；6.對(duì)電路性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試仿真，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算

3、和誤差分析。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表中數(shù)據(jù)單位dB) ，R單位：kW/LR 101530507010K9.6dB10.4dB11.4dB11.9dB12.2dB20K15.6dB16.4dB17.3dB17.9dB18.2dB30K19dB19.8dB20.8dB21.3dB21.6dB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(huì)限制帶寬的特性，W/L增大時(shí)，帶寬會(huì)下降。為保證帶寬， 選取W/L=30，R=30K的情況下的數(shù)值，保證了帶寬，可以符合系統(tǒng)的功能特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下圖。1.電路圖2.幅頻特性曲線

4、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?.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(cè)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(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試；3.對(duì)電路性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試仿真，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算和誤差分析。三、實(shí)驗(yàn)原理 電流鏡負(fù)載的差分對(duì)傳統(tǒng)運(yùn)算放大器的輸入級(jí)一般都采用電流鏡負(fù)載的差分對(duì)。如上圖所示。NMOS器件M1和M2作為差分對(duì)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=

5、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，由于I0=ID1+ID2，ID1相對(duì)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(duì)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(hào)轉(zhuǎn)換成單端輸出信號(hào)。反之如果VGS1<VGS2，將變成負(fù)。假設(shè)M1和M2差分對(duì)總工作在飽和狀態(tài)，則可推導(dǎo)出其大信號(hào)特性。描述大信號(hào)性能的相應(yīng)關(guān)系如下：式(7-1)中，VID表示差分輸入電壓。上面假設(shè)了M1&#

6、160;和M2 相匹配。將式(7-1)代入(7-2)中得到一個(gè)二次方程，可得出解。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(hào)轉(zhuǎn)移特性曲線。該放大器的小信號(hào)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（表中數(shù)據(jù)單位：dB）W/L（N）W/L（P）5060701002039.46dB32.3dB28.8dB22.7dB4026.98dB37.91dB38.52dB37.17dB7038.19dB37.65dB37.35dB32.82dB選擇nmos(w/L)=7

7、0,pmos(w/L)=70數(shù)據(jù)作為結(jié)果：由結(jié)果曲線可知，此放大器的使用頻率范圍需要嚴(yán)格控制，當(dāng)f增大到一定值時(shí)，增益下降速率很快。1.電路圖2.幅頻特性曲線五、實(shí)驗(yàn)分析本次實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)二的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改調(diào)試的，電壓增益為37.35dB，電壓的理論增益公式為電源電壓的設(shè)計(jì)需要合適的范圍，既不能太小，也不能太大。過小會(huì)使得場(chǎng)效應(yīng)管不能進(jìn)入到飽和區(qū)，過大會(huì)使得此放大器的輸出擺幅過小，我們的電路設(shè)計(jì)中選擇電源電壓為3V，可以滿足實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)六：兩級(jí)運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜ぼ浖氖褂?，了解Candwnce軟件的設(shè)計(jì)過程。掌握電流鏡的相關(guān)知識(shí)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)要求 單級(jí)

8、放大器輸出對(duì)管產(chǎn)生的小信號(hào)電流直接流過輸出電阻，因此單級(jí)電路的增益被抑制在輸出對(duì)管的跨導(dǎo)與輸出阻抗的乘積。在單級(jí)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(duì)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(jí)運(yùn)放，在兩級(jí)運(yùn)放中將這兩個(gè)點(diǎn)在不同級(jí)實(shí)現(xiàn)。如本設(shè)計(jì)中的兩級(jí)運(yùn)放，大的增益靠第一級(jí)與第二級(jí)級(jí)聯(lián)而組成，而大的輸出電壓范圍靠第二級(jí)的共源放大器來獲得。 設(shè)計(jì)一個(gè)COMS兩級(jí)放大電路，滿足以下指標(biāo)：AV=5000V/V（74

9、dB） VDD=2.5V VSS=-2.5VGB=5MHz CL=10pf SR>10V/us VOUT范圍=±2V ICMR=-12V Pdiss<=2mW相位裕度:60°3、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容確定電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)： 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(duì)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。如圖所示，Cc為引入的米勒補(bǔ)償電容。利用表1、表2中的參數(shù)計(jì)算得到第一

10、級(jí)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(jí)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以上所以 即 由于要求的相位裕量，所以可得到=2.2pF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處在飽和區(qū)，有 （4）在最小輸入情況下，考慮M5處在飽和區(qū)，有 （5）而電路的一些基本指標(biāo)有 （6）GB是單位增益帶寬P1是3DB帶寬GB= （7） （8） （9）CMR: 正的CMR (10) 負(fù)的CMR (12)由電路的壓擺率得到=(3*10-12)()10*106

11、)=30A(為了一定的裕度，我們?nèi)　?則可以得到，下面用ICMR的要求計(jì)算(W/L)311/1所以有=11/1由，GB=5MHz，我們可以得到即可以得到 用負(fù)ICMR公式計(jì)算由式（12）我們可以得到下式如果的值小于100mv，可能要求相當(dāng)大的，如果小于0，則ICMR的設(shè)計(jì)要求則可能太過苛刻，因此，我們可以減小或者增大來解決這個(gè)問題，我們?yōu)榱肆粢欢ǖ挠喽任覀兊扔?1.1V為下限值進(jìn)行計(jì)算則可以得到的進(jìn)而推出即有為了得到60°的相位裕量，的值近似起碼是輸入級(jí)跨導(dǎo)的10倍（allen書p.211例6.2-1），我們?cè)O(shè)，為了達(dá)到第一級(jí)電流鏡負(fù)載（M3和M4）的正確鏡像，要求，圖中x，y點(diǎn)電位

12、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(jí)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(jí)輸入級(jí)放大電路、第二級(jí)放大電路、偏置電路和相位補(bǔ)償電路。 兩級(jí)運(yùn)放電路圖相位補(bǔ)償: 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

13、上相當(dāng)于左半平面 （LHP）的極點(diǎn)，所以相位裕度會(huì)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)償電容Cc 就要增大，這也會(huì)使得零點(diǎn)減小，進(jìn)一步犧牲相位裕度，如圖所示。 極點(diǎn)分裂與Cc變化五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1.電路圖2.幅頻特性曲線六、實(shí)驗(yàn)分析在本次設(shè)計(jì)中采用了密勒補(bǔ)償，但在包含密勒補(bǔ)償?shù)碾娐分袝?huì)產(chǎn)生一個(gè)離原點(diǎn)很近的零點(diǎn)，位于 這是由于Cc+CGD6形成從輸入到輸出的回路。這個(gè)零點(diǎn)大大降低了電路的穩(wěn)定性。本次設(shè)計(jì)中我們?cè)黾右粋€(gè)與補(bǔ)償電容串聯(lián)的電阻，從而改善零點(diǎn)的頻率，引入的電阻為RZ，零點(diǎn)的頻率可表示為 ，將此零點(diǎn)移到左半平面來消除第一非主極點(diǎn)，滿足的條件為選定合適的CL與CC，在程序中讀出gm

14、6的值，就可以計(jì)算出RZ的值。但是電阻過大會(huì)帶來更大的熱噪聲，還會(huì)使時(shí)間常數(shù)更大，而電路的GB隨CC的增大而減小，這里就涉及到電阻RZ電容CC 和gm6的折衷。經(jīng)過反復(fù)嘗試，我們找到了一組比較合適的數(shù)據(jù)，其中CC=3p ，RZ=60k，GB和電路的穩(wěn)定性均比較好的達(dá)到了實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)總結(jié)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題在此次實(shí)驗(yàn)中遇到了很多問題，但經(jīng)過學(xué)習(xí)和請(qǐng)教都得到了解決。首先是mos管參數(shù)名不正確，nmos4初始名字與仿真庫不同，導(dǎo)致仿真報(bào)錯(cuò)。后來改為N后解決解決了問題。還有就是元件參數(shù)設(shè)置不合理，在實(shí)驗(yàn)六中一直出現(xiàn)error后來發(fā)現(xiàn)是一個(gè)vdc的值設(shè)置的不對(duì)，在同學(xué)的幫助下成功解決了這個(gè)問題。實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)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(huì)了基本操作、解決了一些常見的問題。根據(jù)給定的原理圖，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)，并順利的完成了實(shí)驗(yàn)。第二次試驗(yàn)和最后一次的實(shí)驗(yàn)都是需要在給定電路圖的基礎(chǔ)上自行設(shè)計(jì)電路元件的參數(shù)，雖然加大了難度，但我