6 折疊式共源共柵運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

1、國(guó)家集成電路人才培養(yǎng)基地模擬電路高級(jí)實(shí)驗(yàn)（6）折疊式運(yùn)算放大器2006-071. 設(shè)計(jì)目的：設(shè)計(jì)共源共柵運(yùn)算放大器，使其滿(mǎn)足VDD=3.3V，功率P=10mW，輸出擺幅為1.95V，增益AV80dB。使用SMIC 0.18um 3.3V CMOS工藝3.3V晶體管模型。學(xué)習(xí)差動(dòng)放大器DC掃描、AC、瞬態(tài)分析的方法。參數(shù)給定：COX=(sio)/tox 其中si=8.85*10-12，o=3.9，tox =6.62nm；un=350cm2，up=92.5 cm2。2. 設(shè)計(jì)步驟：1 啟動(dòng)cadence工具在Terminal中輸入cds.setupicfb&2 電路設(shè)計(jì)按照下圖進(jìn)行電路設(shè)計(jì)

2、，運(yùn)放采用折疊式共源共柵電路。圖一 設(shè)計(jì)圖形注意：i). 所有的pmos管的襯底都必須接電源；所有nmos管的襯底都必須接地 ii). 直接用電壓源給出偏置電壓。3 參數(shù)計(jì)算完成了電路圖的基本結(jié)構(gòu)之后，接下來(lái)就是給每個(gè)元件加入設(shè)計(jì)量，這樣就需要對(duì)各個(gè)器件的參數(shù)進(jìn)行分配和計(jì)算。從圖中的mos管的標(biāo)號(hào)定義：總的尾電流源pmos管為M0，M1；pmos共柵管為M2，M3；nmos共源共柵管從上到下依次為M4，M5，M6，M7；輸入管為M8，M10；輸入端的尾電流源mos管為M9。pmos管的model name取p33，nmos管為n33。1) 電流的分配由于VDD=3.3V，功率P=10mW，則總

3、的電流為IDS10mW/3.3V3mA。其次兩條支路是完全對(duì)稱(chēng)的，所以給每條之路分配1.5mA的電流。而對(duì)于折疊電路部分和本身的共源共柵電路部分將每條支路的電流再次分割，這里我們?nèi)坎捎闷椒值姆绞?，即M0，M1的電流均為1.5mA；其余mos管（除M9外）的電流均為0.75mA，是每條支路的二分之一；而對(duì)于M9的電流值為兩個(gè)輸入支路電流之和，即為1.5mA。2) 過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓的分配根據(jù)題目的要求，輸出擺幅要為1.95V，以此為標(biāo)準(zhǔn)分配過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓。M0，M1獲得的電流較大，給他們分配相對(duì)較大的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓，即VOD0VOD10.4V；而M9管同時(shí)流過(guò)M8，M10管的電流，也同樣具有較大的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓，

4、給它分配過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓為VOD9=0.4V；而對(duì)于其他mos管的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓的分配考慮pmos管的up一般小于nmos管的un，所以分配給pmos管的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓一般要大于分配給nmos管的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓，此處給pmos管分配0.35V過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓，而給nmos管分配0.3V過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓，恰好使輸出擺幅為1.95V。3) 寬長(zhǎng)比的確定通過(guò)電流與過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系式確定寬長(zhǎng)比，由于所有mos管都必須工作在飽和區(qū)，所以使用飽和區(qū)的電流過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系：Nmos管： IDS1/2unCOX（W/L）（VGSVth）21/2un COXVOD2>（W/L）=( unCOX VOD2) /(2 IDS)Pmos管：

5、 IDS1/2upCOX（W/L）（VGSVth）21/2upCOXVOD2>（W/L）=(upCOX VOD2) /(2 IDS)根據(jù)公式可得所有mos管的寬長(zhǎng)比，分別為：（W/L）01388.62；（W/L）23253.75；（W/L）4791.3；（W/L）8（W/L）1091.3；（W/L）9102.7。根據(jù)上面求出的寬長(zhǎng)比確定寬度和長(zhǎng)度。由于使用工藝庫(kù)，取L1.4um（取L的值較大是為了達(dá)到大的增益的要求），同樣可以得到各種W值W0，1136*4um，W2，388.82*4um，W4，5，6，763.92*2um，W8，1063.92*2um，W971.88*2um。注意：乘號(hào)

6、的意思代表寬度的乘數(shù)*倍數(shù)，即在multiplier處添加倍數(shù)值。4) 分配初始偏置電壓值mos管閾值電壓的初始值由工藝庫(kù)中給定，pmos管的閾值電壓為Vth0.663V，nmos管的閾值電壓為Vth0.713V，這些值將在仿真過(guò)程中修正。i). pmos管M0，M1的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓為VOD0VOD10.4V，而|Vth|0.663V，則偏置電壓源電壓為V03.3V（0.663V0.4V）2.237V。ii). pmos管M2，M3的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓為VOD2VOD30.35V，而|Vth|0.663V，則偏置電壓源電壓為V03.3V（0.663V0.4 V0.35V）1.887V。iii).nmos管

7、M4，M5的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓為VOD4VOD50.3V，而Vth0.713V，則偏置電壓源電壓為V00.713V0.3V0.3V1.313V。iv).nmos管M6，M7的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓為VOD6VOD70.3V，而Vth0.713V，則偏置電壓源電壓為V00.713V0.3V1.013V。v).nmos管M8，M10的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓（輸入管的偏置直流電壓部分）為VOD8VOD100.3V，而Vth0.713V，則偏置電壓源電壓為V00.713V0.3V0.4V1.413V。vi).nmos管M9的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓為VOD90.4V，而Vth0.713V，則偏置電壓源電壓為V00.7V0.4V1.113V。 根據(jù)

8、給定的初始的偏置電壓給各個(gè)偏置電壓源加值。4 生成symbol圖形Symbol的生成過(guò)成：我們選擇在已經(jīng)制作好的cell view中建立它的symbol，點(diǎn)擊Design>Create Cell View>from Cell View，這樣就直接從已經(jīng)建好的cell view的schematic中建立了它的symbol文件。建立的symbol的圖形(可以改變圖形形狀)，如下圖所示：圖二 生成的symbol圖形5 加入激勵(lì)對(duì)于已經(jīng)生成symbol的圖形，需要給輸入端加入激勵(lì)之后才能夠進(jìn)行仿真。需要生成一個(gè)新的cell view作仿真，此處起名為sim_pucker-SG，易于統(tǒng)一名稱(chēng)

9、。Cell view的生成同上所述，在cell view的設(shè)計(jì)過(guò)程中加入剛剛設(shè)計(jì)的折疊式共源共柵放大器作為仿真模型，對(duì)其輸入端加激勵(lì)。圖形如下圖所示：圖三 加入激勵(lì)后的cell view激勵(lì)加入后需對(duì)所加入的電壓源的參數(shù)作說(shuō)明。由于設(shè)計(jì)的放大器是差動(dòng)式共源共柵放大器，所以差動(dòng)電路的輸入為兩個(gè)方向相反的Vsin信號(hào)分別加在輸入兩端。為了使用方便將Vsin電壓源的DC部分設(shè)定為參變量，分別為vdm1，vdm2。在仿真的時(shí)候再給其賦值，而對(duì)于Vsin信號(hào)還需要設(shè)定一些AC（交流）分析和tran（瞬態(tài)）分析的變量，如下圖所示：圖四 輸入Vsin1電壓源設(shè)置圖五 輸入Vsin1電壓源設(shè)置負(fù)載電容值的確定

10、：對(duì)于負(fù)載電容值的確定是有要求的，因?yàn)轭}目要求單位增益帶寬盡可能的大，所以在滿(mǎn)足了增益的情況下，需要主極點(diǎn)越大越好，只有主極點(diǎn)越大才能保證單位增益帶寬越大。主極點(diǎn)與輸出阻抗和負(fù)載電容的乘積的倒數(shù)有關(guān)，而輸出阻抗的值影響增益的大小，如果輸出阻抗越大，則增益越大，但是主極點(diǎn)越小，從而使單位增益帶寬越小，所以只有在增益一定的情況下改變負(fù)載電容的值來(lái)增加單位增益帶寬。從上面的敘述可知，電容的值是一個(gè)根據(jù)要求而變化的值，所以我們把電容值設(shè)為一個(gè)參數(shù)cap，在仿真過(guò)程中再添加其值。這樣只是為了方便更改而已，你也可以直接對(duì)負(fù)載電容賦值，在仿真時(shí)，再根據(jù)情況更改電容值。負(fù)載電容的值設(shè)為參變量cap，在仿真過(guò)程

11、中給定值。注意：在作仿真圖形時(shí)，還需要有一個(gè)用來(lái)規(guī)定電源電壓值的電路，這是為了防止多個(gè)電路中有多個(gè)電源電壓的情況，這樣只需設(shè)定一個(gè)電源電壓來(lái)規(guī)定電源電壓的值，而不會(huì)發(fā)生沖突。3. 仿真過(guò)程1 仿真環(huán)境的建立在設(shè)置完圖形變量之后，就可以對(duì)圖形進(jìn)行仿真了。點(diǎn)擊Tools>Analog Environment進(jìn)入仿真環(huán)境。2 仿真環(huán)境參數(shù)設(shè)置i). 確定spice模型庫(kù)文件庫(kù)文件路徑是：/cad/smic018_tech/Process_technology/Mixed_Signal/SPICE_model/ms018_v1p6_spe.lib；section定義為tt，最后點(diǎn)Add添加庫(kù)文件

12、。圖六 模型庫(kù)的建立ii). 變量的設(shè)置首先，需要導(dǎo)入要設(shè)置的變量名進(jìn)入Design Variable中，點(diǎn)擊Variables>Copy From Cellview導(dǎo)入變量，如下圖所示：圖七 參量值的設(shè)定注意：此處設(shè)定參數(shù)時(shí)，在Design Variables圖形框中雙擊要設(shè)置的參量后，設(shè)定其值。 設(shè)定負(fù)載電容的值時(shí)，先假定給cap=1pF，后面還要根據(jù)題目要求更改cap 的值，以滿(mǎn)足單位增益帶寬和穩(wěn)定性的要求。vdm1，vdm2的值是根據(jù)輸入端的偏置電壓值設(shè)定的，即初始值vdm1vdm21.413V。3 設(shè)定仿真類(lèi)型i). tran（瞬態(tài)）分析設(shè)定Analyses>Choose

13、，選擇tran分析，如圖所示：設(shè)置仿真時(shí)間為1ms。圖八 瞬態(tài)仿真設(shè)置注意：設(shè)定的瞬態(tài)仿真時(shí)間一般是頻率倒數(shù)的110倍即可，過(guò)大可能無(wú)法看出細(xì)微圖形，太小根本看不到一個(gè)周期的情況。此處設(shè)的1ms就是頻率的倒數(shù)。ii). DC（直流）分析設(shè)定Analyses>Choose，選擇dc分析，如圖所示：圖九 DC參量設(shè)置設(shè)置DC參量時(shí)，首先，要選擇Save DC Operating Point項(xiàng)，此項(xiàng)是為了保存靜態(tài)工作點(diǎn)的；然后在Sweep Variable區(qū)域選擇Design Variable項(xiàng)，選取變量名稱(chēng)，可以直接輸入你所定義的變量名，也可以從下面的Select Design Variab

14、le中選擇需要掃描的變量，我們這里掃描差動(dòng)信號(hào)的直流分量vdm1。在Sweep Range中選擇掃描變量的范圍，定義起始點(diǎn)為0V，終止點(diǎn)為3.3V，而且采取線(xiàn)性?huà)呙璺绞?，掃描的步長(zhǎng)設(shè)為0.01V。iii). AC（交流）分析設(shè)定Analyses>Choose，選擇ac分析，如圖所示：圖十 AC參數(shù)設(shè)置設(shè)置AC參數(shù)時(shí)，只需對(duì)頻率進(jìn)行掃描，這里設(shè)置掃描范圍為10300MHZ。4 設(shè)定輸出波形點(diǎn)擊Output>to be plotted>Select On Schematic后，所作的schematic圖形將自動(dòng)彈出，然后選擇需要輸出的信號(hào)電壓或者pin腳電流，這里我們選擇兩個(gè)輸出

15、量Vout1，Vout2為需要輸出的信號(hào)電壓。選擇輸出端作為仿真的輸出時(shí)，輸出端將變?yōu)椴噬母吡炼染€(xiàn)條。4. 仿真及其參量修正以上設(shè)置完成后，就可以進(jìn)行仿真了。仿真的方法有兩種，可以通過(guò)點(diǎn)擊菜單中的Simulation-Netlist and Run進(jìn)行網(wǎng)表的提取和仿真；第二種方法是通過(guò)快捷方式，即圖框中右下角的按鈕進(jìn)行仿真。運(yùn)行之后會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)表和運(yùn)行圖形，點(diǎn)擊ResultPrintDC Operating Points查看每個(gè)mos管的狀態(tài)，如下圖所示：圖十一 mos管狀態(tài)打印根據(jù)打印出的mos管狀態(tài)圖中的Vth值，通過(guò)V0=VOD+Vth+Vs來(lái)修正偏置電壓的值，再進(jìn)行仿真。在此過(guò)程中，由于

16、M0，M1，M6，M7，M9不存在襯偏效應(yīng)所以他們的閾值電壓值的改變可能會(huì)小一些，所以先調(diào)整這些管子的偏置電壓值比較合適；而對(duì)于M2，M3，M4，M5，M8，M10這些mos管而言，都存在襯偏效應(yīng)，所以他們的值改變的比較大，需要不斷的修正仿真，直到這些值都基本不變化即可。這樣就完全確定了偏置電壓的值。下來(lái)要做的工作是考慮所有的mos管是否工作在飽和區(qū)，同樣是通過(guò)打印mos管的狀態(tài)來(lái)確定的。需要考慮VDSVGS-Vth才能使mos管工作在飽和區(qū)。圖形如圖所示：圖十二 察看mos管的飽和狀態(tài)從打印的圖中察看電壓VDS，VGS-Vth的大小，如果不滿(mǎn)足VDSVGS-Vth，那么mos管不飽和，需要通

17、過(guò)調(diào)節(jié)mos管的寬長(zhǎng)比來(lái)改變它的飽和狀態(tài)。只有當(dāng)所有的mos管都達(dá)到飽和時(shí)，放大器的增益才能達(dá)到最大。注意：a) 在調(diào)節(jié)mos管的寬長(zhǎng)比時(shí)，只能在原來(lái)的寬長(zhǎng)比的基礎(chǔ)上對(duì)寬度作適當(dāng)調(diào)整，不能不考慮原來(lái)的值，大幅度調(diào)整，這樣將會(huì)和你的設(shè)計(jì)完全不符的情況。 b) 如果當(dāng)所有的mos管都已達(dá)到飽和，但是對(duì)于放大器的增益還是不滿(mǎn)足時(shí)可以將輸出端兩端的mos管的寬長(zhǎng)同時(shí)加大，這樣可以使增益大幅度增加。這是由于當(dāng)寬長(zhǎng)同時(shí)加大時(shí)，電流、跨導(dǎo)等量由于寬長(zhǎng)比的值沒(méi)有變化，所以它們的值也不改變。但是由于長(zhǎng)度L增大一倍，使值減小，從而使這個(gè)mos管的輸出電阻增大，輸出兩端的mos管的寬長(zhǎng)同時(shí)加大，即M2，M3，M4，

18、M5的寬長(zhǎng)同時(shí)加大，使輸出電阻ro2，ro3，ro4，ro5增大，從而使增益加大。 |Av|=GmRout=gm10* gm3ro3 ( ro10/ ro1)/( gm5ro5 ro7)5. 仿真結(jié)果1 Bode圖仿真結(jié)果Bode圖的仿真需要通過(guò)計(jì)算機(jī)（calculator）來(lái)完成。圖十三 Bode圖幅頻特性曲線(xiàn)從上面的Bode圖的幅頻特性曲線(xiàn)中可以看出在0dB時(shí)的頻率為164MHZ，即單位增益帶寬為164MHZ，但從上圖可以看出系統(tǒng)穩(wěn)定性不是很好，下面我們通過(guò)具體的計(jì)算看看相位裕度的大小。2 相位裕度我們一般使用calculator來(lái)計(jì)算相位裕度的值，如下圖所示：圖十四 相位裕度從上圖中可以看出相位裕度的值為45.64度，說(shuō)明系統(tǒng)是穩(wěn)定的，但是可能在輸出時(shí)會(huì)出現(xiàn)振蕩，一般要使相位裕度達(dá)到60度才能認(rèn)為系統(tǒng)是穩(wěn)定的。所以需要通過(guò)修正負(fù)載電容的值來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于系統(tǒng)的相位裕度和單位增益帶寬之間存在著折衷的關(guān)系，所以當(dāng)相位裕度達(dá)到60度時(shí)，單位增益帶寬必然會(huì)下降。當(dāng)負(fù)載電容為2.55pF時(shí)，相位裕度可以