模擬集成電路設(shè)計(跨導(dǎo)運算放大器)

1、7.將偏置電路和主體電路合在一起仿真,采用全典型模型,27,VDD=3.6V,要求電路達到“設(shè)計指標(biāo)”要求,否則應(yīng)對電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行修改與優(yōu)化,直至滿足要求(可能需要多次調(diào)整,并應(yīng)包括以下內(nèi)容:a 一輸入端固定為0.6V參考電壓,另一輸入端從0V上升到3.6V(電源電壓時的輸出電壓曲線與靜態(tài)電流曲線,確定低頻增益;以輸出0.9V為輸出參考電壓,確定輸入失調(diào)電壓(直流掃描;b 一輸入端固定為0.6V參考電壓,另一輸入端為信號輸入,輸出工作點為0.9V時的放大特性:增益、相位、帶寬、相位裕量等(交流掃描,;c 輸出工作點為0.9V時,PSRR對于頻率(1Hz100KHz的特性曲線(交流掃描電路參

2、考圖:原理圖分析說明:根據(jù)題目說明和參考電路可知,跨導(dǎo)放大器(OTA是一種電壓輸入、電流輸出的放大器、放大倍數(shù)為跨導(dǎo)Gm。我們小組經(jīng)過討論分析,最后決定采用如題目所示的參考電路。在設(shè)計電路前,我們首先分析了OTA電路的組成和作用。如參考電路所示:OTA電路主要包括3個部分,第一部分是帶隙基準(zhǔn)電流源,主要是給整個電路產(chǎn)生一個穩(wěn)定的電流源;第二部分是由電流鏡組成的偏置電路,主要是給跨導(dǎo)放大器提供偏置電壓;第三部分是運算放大器,它是這個電路實現(xiàn)功能的核心部分,也是電路設(shè)計的主要部分。分析完電路的各個組成部分和功能后,我們小組要做的便是設(shè)計各個MOS管的尺寸,使之達到設(shè)計指標(biāo)要求。運算放大器的設(shè)計設(shè)計

3、思路:運算放大器是這次設(shè)計的電路的核心部分,參考電路如下所示: 圖一.運算放大器由圖一可知,運算放大器分為兩級放大,第一級是M1-M5構(gòu)成的共源級放大電路,第二級是M6-M13構(gòu)成的共源共柵放大電路。單端輸入,單端輸出。偏置電路(電流鏡部分與M1相連,相當(dāng)于給第一級放大電路提供了電流,所以M1即為一個電流源。M4、M6與M5、M7又是兩組電流鏡,所以,第一級電路又可以給第二級的放大電路提供一個電流,這樣運算放大器就能正常工作。有了這樣的分析,運算放大器的設(shè)計過程也就可以確定了。第一步:分配電流按照設(shè)計指標(biāo)要求,整個電路的電流不能超過250uA ,因為運方是主要的電流消耗部分,我們設(shè)計的是給3條

4、支路各80uA 的電流。 第二部:分配過驅(qū)動電壓:分配電流以后,為了滿足輸出擺幅在0.61.2V 之間,就必須合理的分配各個管子的過驅(qū)動電壓,使之既能保證MOS 管正常工作,又能滿足輸出擺幅和增益的要求。我們小組的Vod 分配如下: M1:0.8V ;M2、M3:0.25V ; M4、M5:0.3V ; M6、M8:0.3V ; M7、M9:0.2V ;M10、M11、M12、M13:0.4V 。第四步:計算寬長比(WL 飽和電流公式:2(1(2D S n p ox G S TH W I c V V L=-O D G S THV V V =-2(12D S n p oxO DW I c V L

5、=O DV 、D SI 均在前面兩步已經(jīng)分配,(n p oxc 也是與0.5工藝MODEL 相關(guān)的常數(shù),所以可以求出各個MOS 管的寬長比。 這里注意一下,講義上給出的c 和T HV 與仿真是有差距的,要實現(xiàn)仿真與理論的相切合,這里必須采用仿真的參數(shù),利用DC point 查看NMOS 和PMOS 的eff。在0.5u 工藝下,這些參數(shù)的值如下:N M O S 0.9TH V V = 420 1.203810/ox c cm pf V s-= :P M O S1.0TH V V =520 3.453610/ox c cm pf V s-=根據(jù)上述公式和參數(shù),我們可以求得各MOS 管得尺寸:1(

6、7.239W L = 2(3(25.738W L=4(5(7.384W L =6(8(14.768WL=9(7(33.228W L=1013(28.955W L-=第四步:根據(jù)過驅(qū)動電壓來給各個MOS 管的柵極分配電壓:給的偏壓如下: M1柵極偏壓:1.8VM7、M9柵極偏壓:1.6V M10、M11柵極偏壓:1.7V M12、M13柵極偏壓:1.8V 。 增益公式如下:2204(|m o Av g r r =692041010012(|m m o m o Av g g r r g r r =1o D Sr I =1L 至此,計算部分就已經(jīng)完成了,接下來就是仿真和電路微調(diào)式了。仿真調(diào)試: 圖二

7、.仿真電路圖1.增益帶寬調(diào)試:提高增益的方法: 增大L減小電流在CADANCE軟件下仿真,搭建如圖所示的電路圖,并且給上前面計算的參數(shù),設(shè)定仿真環(huán)境和仿真變量。仿真結(jié)果顯示,雖然各個管子均進入了飽和區(qū),增益也達到了要求的65db,但是帶寬卻這有1M左右,遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達到要求的3M。增大帶寬的辦法:增大電流同時減小管子的寬長比這些都是減小增益為代價的。經(jīng)過調(diào)試,我們小組發(fā)現(xiàn),減小第一級放大電路的電流,增大第二級電路的電流,可以顯著提高帶寬。所以,我們減小了第一級電路的寬長比,然后增大了第二級電路的寬長比,終于滿足了增益和帶寬的要求。2.跨導(dǎo)調(diào)試:跨導(dǎo)是跨導(dǎo)放大器的一個重要參數(shù),跨導(dǎo)越大,放大效果也就

8、越好,雖然上面我uA V。們的增益帶寬達到了要求,但是跨導(dǎo)卻沒有到達最小的900 /在老師的指導(dǎo)下,我們發(fā)現(xiàn)跨導(dǎo)主要與第一級放大電路和第二級電路的電流放大能力以及第一級放大電路的輸入PMOS管由管,我們增大了兩級放大電路的電流鏡的寬長比,同時增大輸入管M2、M3的寬長比,終于把電路的跨導(dǎo)提高上來,同時增益和帶寬也滿足要求。3.輸入共模電壓范圍調(diào)試:前面我們的設(shè)計都是在輸入為0.6V電壓的條件下實現(xiàn)的,但是設(shè)計要求必須在0.11V的共模輸入下都滿足要求。所以,我們必須掃描共模輸入,然后合理調(diào)整各個晶體管的寬長比和偏壓,使各項參數(shù)都滿足要求。增益、帶寬、跨導(dǎo)的調(diào)試都和上面一樣,這里不再累述。4.電

9、源抑制比:因為設(shè)計要求的電源抑制比要求較低,不是這個電路的難點,所以很容易滿足要求,達到65db以上。5.轉(zhuǎn)換速率:和電源抑制比相似,轉(zhuǎn)換速率也很容易的達到了要求的3V/us。帶隙基準(zhǔn)電流源設(shè)計:帶線基準(zhǔn)電流源在這個電路中起到一個電流源的作用,且要求這個電流源對溫度不敏感,敏感度在100以下。敏感度的計算公式如下:6m ax m in m ax m in 27(I 10(C I I T T -因為參考電路調(diào)試多次未能達到要求,我們參考了CADANCE 設(shè)計電路書中的帶隙基準(zhǔn)圖,通過合理調(diào)整偏置電路的寬長比、三極管個數(shù)和電阻的大小終于設(shè)計了一款合理的帶隙基準(zhǔn)電路,設(shè)計參數(shù)和電路結(jié)構(gòu)如下圖所示:

10、圖三.帶隙基準(zhǔn)電流源 圖四.帶隙基準(zhǔn)仿真結(jié)果由結(jié)果可知,產(chǎn)生電流大小為:21.3uA,敏感度為36,符合實際要求。偏置電路設(shè)計:偏置電路是一系列電流鏡,計算寬長比使運放的偏置達到設(shè)計的電壓值,給運放提供電流,偏置電路是將帶隙基準(zhǔn)電流源與運放連接起來的橋梁。完整電路圖調(diào)試完整電路圖如下: 圖五.跨導(dǎo)放大器完整電路圖 圖六.仿真電路圖最終運放的寬長比:第一級運放:1925(2W n L u=237(2W u L u-=45935(2W n L u-=第二級運放:6845(1W L =、7999.7(1W L=、101386.86(1W L=仿真結(jié)果:條件:VDD=3.6V 、T=27°C

11、 、輸入共模電壓為1V (驗收時的條件增益帶寬: 圖七.增益帶寬圖如上圖可以看出,該電路的增益為78db、帶寬為6.6M赫茲、相位裕度為64度,這些都滿足設(shè)計指標(biāo)?？鐚?dǎo): 圖八.跨導(dǎo)仿真中的Vsin 幅度為20uV ,由結(jié)果圖可知,輸出電流峰值為22nA 。 所以:跨導(dǎo)gm9622101100/2010m A g uA VV-=滿足設(shè)計的9001100uA/V 的要求。電源抑制比:反正時將電源3.6改為變量,將Vsin 中的幅度改為0,得到仿真的DB 圖,然后與源來得增益圖相減,得到結(jié)果如下所示: 圖九.電源抑制比結(jié)果顯示,電源抑制比為80db ,大于設(shè)計要求的65db 。轉(zhuǎn)換速率:將Vsin

12、換成方波,檢驗電路的翻轉(zhuǎn)速度。 圖十.轉(zhuǎn)換速率結(jié)果顯示:無論是上升沿還是下降沿,轉(zhuǎn)換速率都為3.6V/uS 大于設(shè)計要求的3 V/uS,滿足設(shè)計要求。電流大小: 圖十一.電流大小如上圖所示,電流大小為240.946u,小于設(shè)計指標(biāo)的250uA,滿足設(shè)計要求。電源電壓范圍:將VDD由3.6V改為變量,同時從2.5V掃描到5.5V。仿真結(jié)果都如下: 圖十二.電源電壓范圍如圖所示,在2.55.5V的范圍內(nèi),只有2.5V和5.5V時不滿足增益范圍(驗收的時候是5.2V5.5V不滿足,后來我又重新調(diào)整了偏壓,基本上符合了設(shè)計指標(biāo)要求。失調(diào)電壓: 由DC圖可知,當(dāng)輸出為0.9時,對應(yīng)的縱坐標(biāo)為0.3V。所

13、以失調(diào)電壓為:0.90.37.58000u V-=結(jié)論綜合以上所述,我們小組設(shè)計的跨導(dǎo)放大器滿足了增益、帶寬、跨導(dǎo)、電源抑制比、輸入共模范圍、輸出擺幅、轉(zhuǎn)換速率、電源電壓范圍等一系列要求,滿足了各項設(shè)計指標(biāo),完成了設(shè)計的工作任務(wù)。其他仿真:以下是電路在溫度為-40°、27°、125°電壓為2.5V、3.6V、5.5V時的各種工藝角下的仿真結(jié)果:溫度為-40°、電壓為2.5V 、工藝角ss 溫度為-40°、電壓為3.6V、工藝角tt 溫度為-40°、電壓為5.5V、工藝角ff 溫度為27°、電壓為2.5V、工藝角ss 溫度為2

14、7°、電壓為3.6V、工藝角tt 溫度為27°、電壓為5.5V、工藝角ff 溫度為125°、電壓為2.5V、工藝角ss 溫度為125°、電壓為3.6V、工藝角tt 溫度為125°、電壓為5.5V、工藝角ff 由上述表格可以知道:當(dāng)電壓相同時,溫度越高,帶寬越大,增益越低。解釋:因為溫度升高,載流子速度變快,電流變大,所以帶寬增大,增益會變低。當(dāng)溫度相同時,電壓越大,帶寬越大,增益越低。解釋:因為電壓變大,流過的電流必然增大,所以帶寬增大,增益降低。設(shè)計總結(jié):這是我們第一次設(shè)計一個具有完整功能的電路,從電路圖的選定、分析、電路的設(shè)計思路、過程、計

15、算、調(diào)試、仿真、結(jié)果分析等等,一切都凝聚著我們小組成員分工合作以及思考討論的結(jié)晶,最后我們設(shè)計的跨導(dǎo)放大器成功滿足了設(shè)計要求的各項指標(biāo),比較成功的完成了這個訓(xùn)練。這次的設(shè)計過程讓我們大致體會到了模擬集成電路的設(shè)計流程,這對我們今后的學(xué)習(xí)或者工作都將是一次很好的鍛煉機會,其次,這次課程設(shè)計理論與實際相結(jié)合,既讓我們加深了對書本知識的理解,也鍛煉了我們實踐能力(如電路調(diào)試、仿真,讓我們受益匪淺。我感覺我們這次的跨導(dǎo)放大器有待提高的地方就是電源輸入范圍還不是很寬,這可能和我們的偏置電壓的設(shè)定以及帶隙基準(zhǔn)電流源有關(guān),如果我們想提高這一性能參數(shù),我們必須設(shè)定更加合理的偏置電壓,設(shè)計出更加溫度的電流源,這

16、又是一個重新調(diào)試的過程,總之,設(shè)計就是這樣,沒有最好,只有更好。小組分工:電路分析討論:曾云霖、黃雄、蔣儀參數(shù)設(shè)定和計算:曾云霖帶隙基準(zhǔn)的設(shè)計調(diào)試:黃雄、蔣儀電路調(diào)試:曾云霖、黃雄、蔣儀資料查找:黃雄、蔣儀報告撰寫:曾云霖工作量:曾云霖40% 黃雄30% 蔣儀30%參考文獻:模擬CMOS集成電路設(shè)計西安交通大學(xué)出版社拉扎維VLSI設(shè)計專題實驗指導(dǎo)書西安交通大學(xué)微電子實驗室楊棟等跨導(dǎo)運算放大器設(shè)計實例教學(xué)講義李福樂附錄:網(wǎng)表文件:/ Generated for: spectre/ Generated on: Dec 10 16:37:40 2012/ Design library name: s

17、9053057/ Design cell name: ota_test/ Design view name: schematicsimulator lang=spectreglobal 0 vdd!include "/cad/cds/IC5141ISR121_sol/tools/dfII/samples/artist/ahdlLib/quantity.spectre" parameters vdm=1include "/data/jtxu/analog/05umpdk/05model/s05mixdtssa01v11.scs" section=bipsl

18、ow include "/data/jtxu/analog/05umpdk/05model/s05mixdtssa01v11.scs" section=capslow include "/data/jtxu/analog/05umpdk/05model/s05mixdtssa01v11.scs" section=ss include "/data/jtxu/analog/05umpdk/05model/s05mixdtssa01v11.scs" section=resslow/ Library name: st02/ Cell nam

19、e: rhr1k/ View name: schematicsubckt rhr1k_pcell24698 MINUS PLUSparameters segL=10u segW=1.3uR1 (PLUS MINUS rhr1k l=segL w=segWR0 (PLUS MINUS rhr1k l=segL w=segWends rhr1k_pcell24698/ End of subcircuit definition./ Library name: st02/ Cell name: rhr1k/ View name: schematicsubckt rhr1k_pcell24699 MIN

20、US PLUSparameters segL=10u segW=1.3uR0 (PLUS MINUS rhr1k l=segL w=segWends rhr1k_pcell24699/ End of subcircuit definition. / Library name: s9053057 / Cell name: ota / View name: schematic subckt ota VIN VOUT V4 (net102 0 vsource dc=1 type=dc Q2 (0 0 net7 qvp5 m=8 Q0 (0 0 net10 qvp5 m=1 Q1 (0 0 net13

21、 qvp5 m=8 R0 (net10 net15 rhr1k_pcell24698 m=1 segL=11.32u segW=1.3u R1 (net7 net17 rhr1k_pcell24699 m=1 segL=14.255u segW=1.3u R2 (0 net19 rhr1k_pcell24698 m=1 segL=16.925u segW=1.3u NM8 (net20 net56 0 0 mn w=(2u l=500n as=2.1p ad=2.1p ps=6.1u pd=6.1u m=(1*(1 NM9 (net24 net56 0 0 mn w=(1.76u l=500n

22、 as=1.848p ad=1.848p ps=5.62u pd=5.62u m=(1*(1 NM10 (net28 net56 0 0 mn w=(1.76u l=500n as=1.848p ad=1.848p ps=5.62u pd=5.62u m=(1*(1 NM5 (net32 net32 0 0 mn w=(925n l=2u as=971.25f ad=971.25f ps=3.95u pd=3.95u m=(1*(1 NM22 (VOUT net52 net40 0 mn w=(99.69u l=1u as=104.674p ad=104.674p ps=201.48u pd=

23、201.48u m=(1*(1 NM21 (net40 net32 0 0 mn w=(45u l=1u as=47.25p ad=47.25p ps=92.1u pd=92.1u m=(1*(1 NM20 (net44 net52 net48 0 mn w=(99.69u l=1u as=104.674p ad=104.674p ps=201.48u pd=201.48u m=(1*(1 NM19 (net48 net50 0 0 mn w=(45u l=1u as=47.25p ad=47.25p ps=92.1u pd=92.1u m=(1*(1 NM17 (net52 net52 0

24、0 mn w=(500n l=1.8u as=765f ad=765f ps=3.7u pd=3.7u m=(1*(1 NM18 (net56 net56 0 0 mn w=(10u l=500n as=10.5p ad=10.5p ps=22.1u pd=22.1u m=(1*(1 NM23 (net50 net50 0 0 mn w=(925n l=2u as=971.25f ad=971.25f ps=3.95u pd=3.95u m=(1*(1 NM4 (net72 net72 net74 0 mn w=(10u l=5u as=10.5p ad=10.5p ps=22.1u pd=2

25、2.1u m=(1*(1 NM0 (net74 net74 net13 0 mn w=(10u l=5u as=10.5p ad=10.5p ps=22.1u pd=22.1u m=(1*(1 NM1 (net72 net74 net15 0 mn w=(10u l=5u as=10.5p ad=10.5p ps=22.1u pd=22.1u m=(1*(1 NM2 (net76 net76 net17 0 mn w=(10u l=5u as=10.5p ad=10.5p ps=22.1u pd=22.1u m=(1*(1 NM3 (net80 net76 net19 0 mn w=(800n

26、 l=500n as=840f ad=840f ps=3.7u pd=3.7u m=(1*(1 PM9 (net52 net28 vdd! vdd! mp w=(1u l=2u as=1.31p ad=1.31p ps=4.6u pd=4.6u m=(1*(1 PM16 (net28 net28 vdd! vdd! mp w=(1u l=2u as=1.31p ad=1.31p ps=4.6u pd=4.6u m=(1*(1 PM15 (net20 net20 vdd! vdd! mp w=(1.96u l=2u as=2.352p ad=2.352p ps=6.32u pd=6.32u m=

27、(1*(1 PM17 (net24 net24 vdd! vdd! mp w=(1.5u l=2u as=1.8p ad=1.8p ps=5.4u pd=5.4u m=(1*(1 PM28 (net32 net102 net105 net105 mp w=(7u l=2u as=8.4p ad=8.4p ps=16.4u pd=16.4u m=(1*(1 PM27 (net50 VIN net105 net105 mp w=(7u l=2u as=8.4p ad=8.4p ps=16.4u pd=16.4u m=(1*(1 PM25 (net108 net44 vdd! vdd! mp w=(

28、86.86u l=1u as=104.232p ad=104.232p ps=176.12u pd=176.12u m=(1*(1 PM26 (VOUT net24 net108 vdd! mp w=(86.86u l=1u as=104.232p ad=104.232p ps=176.12u pd=176.12u m=(1*(1 PM22 (net105 net20 vdd! vdd! mp w=(925n l=2u as=1.3025p ad=1.3025p ps=4.6u pd=4.6u m=(1*(1 PM23 (net127 net44 vdd! vdd! mp w=(86.86u

29、l=1u as=104.232p ad=104.232p ps=176.12u pd=176.12u m=(1*(1 PM24 (net44 net24 net127 vdd! mp w=(86.86u l=1u as=104.232p ad=104.232p ps=176.12u pd=176.12u m=(1*(1 PM1 (net74 net72 vdd! vdd! mp w=(20u l=5u as=24p ad=24p ps=42.4u pd=42.4u m=(1*(1 PM2 (net76 net72 vdd! vdd! mp w=(20u l=5u as=24p ad=24p p

30、s=42.4u pd=42.4u m=(1*(1 PM6 (net72 net72 vdd! vdd! mp w=(20u l=5u as=24p ad=24p ps=42.4u pd=42.4u m=(1*(1 PM7 (net80 net80 vdd! vdd! mp w=(1.1u l=550n as=1.32p ad=1.32p ps=4.6u pd=4.6u m=(1*(1 PM3 (net56 net80 vdd! vdd! mp w=(1.1u l=550n as=1.32p ad=1.32p ps=4.6u pd=4.6u m=(1*(1 ends ota / End of subcircuit definition. / Library name: s9053057 / Cell name: ota_test / View name: schematic V1 (net7 0 vsource dc=vdm mag=1 type=sine ampl=20u freq=1K I0 (net7 net2 ota C0 (net2 0 cpip w