cmos實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、 模擬集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)院：班級(jí)：學(xué)號(hào)：姓名：班內(nèi)序號(hào)：實(shí)驗(yàn)一:共源級(jí)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(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(kù)及Cellview文件。 2、輸入共源級(jí)放大器電路圖。

2、 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、電路圖 2、幅度和相位曲線3、部分參數(shù)四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 器件參數(shù)：  NMOS管的寬長(zhǎng)比為10，柵源之間所接電容1pF，Rd=10K。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 由仿真結(jié)果有：gm=173u，Rd=10k，所以增益Av=173*10/1000=1.73=4.76dB  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(cè)試方法。 二、實(shí)驗(yàn)要求

3、 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)算和誤差分析。三、實(shí)驗(yàn)原理平衡態(tài)下的小信號(hào)差動(dòng)電壓增益AV為：四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果R W/L202530354010K18(1.28G)18.6(769M)19(646M)19.3(711M)19.5(640M)20K23.7(624M)24.2(502M)24.6(415M)24.9(354M)25.1(314M)30K26.526.9

4、27.227.527.7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=25，R=20K的情況下的數(shù)值，保證了帶寬約為500MHZ，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 該圖增益為26.9Db,采用W/L為25，R取30k，帶寬約為300M五、思考題 根據(jù)計(jì)算公式，為什么不能直接增大R實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的增大？ 答：若直接增加Rd，則Vd會(huì)增加，增加

5、過(guò)程中會(huì)限制最大電壓擺幅； 如果VDDVd=VinVTH，那MOS管處于線性區(qū)的邊緣，此時(shí)僅允許非常小的輸出電壓擺幅。即電路不工作。此外，RD增大還會(huì)導(dǎo)致輸出結(jié)點(diǎn)的時(shí)間常數(shù)更大。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(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)所涉及的電路進(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

6、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=VGS2，則Ml和M2的電流相同。這樣由M5通過(guò)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IOU

7、T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 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

8、，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/L(P) W/L(N)506070806029.630.0930.5130.897029.830.3230.8231.258029.8(328M)30.38(261M)30.91(347M)31.38(351M)選擇nmos(w/L)=80,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. 幅頻特性曲線增益為-8.62-（-40）=31.38dB五、實(shí)驗(yàn)分析 本次實(shí)驗(yàn)是在

9、實(shí)驗(yàn)二的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改調(diào)試的，電壓增益為33.3dB，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(guò)小會(huì)使得場(chǎng)效應(yīng)管不能進(jìn)入到飽和區(qū)，過(guò)大會(huì)使得此放大器的輸出擺幅過(guò)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)五：共源共柵電流鏡設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?#160;熟悉軟件的使用，了解Cadence軟件的設(shè)計(jì)過(guò)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。 二、實(shí)驗(yàn)要求 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)  1. 電流比1：

10、1 2. 輸出電壓最小值0.5v 3. 輸出電流變化范圍5-100uA三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 其中：每個(gè)MOSFET的襯底都接地，(W/L)1=(W/L)2; (W/L)3=(W/L)4. 通過(guò)大信號(hào)直流工作點(diǎn)分析和小信號(hào)等效電路分析（對(duì)不起，這部分分析是電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，希望大家看相關(guān)的資料，這里就不詳細(xì)展開了。），可以知道該電路的特點(diǎn)如下： 1.小信號(hào)輸入電阻低（1/gm1）2.輸入端工作電壓低3.小信號(hào)輸出電阻高4.輸出端最小工作電壓低1、設(shè)計(jì)變量初始估算  確定(W/L)1、（W/L）2 

11、為了計(jì)算設(shè)計(jì)變量，我們有必要了解電路MOSFET的工作狀態(tài)，為了使輸出端最小工作電壓小于0.5V, 令：MN3管工作于臨界飽和區(qū)（即：VOUTMIN=VG3-VT3=0.5V），而MN1、MN2管隨著輸入電流Iin從5UA變到100UA的過(guò)程中先工作在過(guò)飽和區(qū)最終工作在臨界飽和區(qū)，同時(shí)令：當(dāng)MN1、MN2工作在臨界飽和區(qū)時(shí)VDS1=VDS2=VOUTMIN/2=0.5V。為了使MN1、MN2工作在飽和區(qū)，則必須：(以MN2為例計(jì)算) 為了后面HSPICE仿真時(shí)能夠深刻地體會(huì)到調(diào)整W/L的必要性,這里?。?W/L)1=(W/L)2=27。 確定(W/L)3、（W/L

12、）4 從MN3管3GSV的角度來(lái)考慮問(wèn)題，當(dāng)Iin100UA時(shí)，為了使MN2管工作在臨界飽和區(qū)，3GSV的電壓降不可以過(guò)大，即：為了后面HSPICE仿真時(shí)能夠深刻地體會(huì)到調(diào)整W/L的必要性,這里就取：(W/L)3=(W/L)4=27。確定(W/L)B 為了節(jié)省面積，和設(shè)計(jì)的方便，取(W/L)B=1 確定IB 在確定IB前要先計(jì)算3TV,根據(jù)襯偏效應(yīng)可以得到：因?yàn)镸N3工作在臨界飽和區(qū)，所以VG3=VD3+VT3又MNB管工作于MOS二極管狀態(tài):確定溝道長(zhǎng)度L取L=3M驗(yàn)證直流工作點(diǎn) 1. MNB：二極管連接確保它工作于飽和區(qū)。

13、0;2. MN3：工作于臨界飽和工作區(qū)。 3. MN1、MN2：當(dāng)IIN=100uA=,它們工作于臨界飽和區(qū)；當(dāng)IIN減小時(shí)， VGS1、2減小且VDS1、2增大，使它們工作在過(guò)飽和區(qū)。 4. MN4：要使MN4管工作于飽和區(qū)，則：而VT1=0.6431V,VOUTMIN=0.5V,顯然上式成立。即MN4工作于飽和區(qū)。 16 四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 1.原理圖3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果（參數(shù)驗(yàn)證）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?#160;熟悉軟件的使用，了解synopsys軟件的設(shè)計(jì)過(guò)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

14、實(shí)現(xiàn)所給要求。 二、實(shí)驗(yàn)要求 單級(jí)放大器輸出對(duì)管產(chǎn)生的小信號(hào)電流直接流過(guò)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(lái)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(guò)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(lái)獲得。 

15、60;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（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<=2mW三、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,M

16、8組成電流鏡，流過(guò)M1的電流與流過(guò)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。圖1所示，Cc為引入的米勒補(bǔ)償電容。利用表1、表2的參數(shù)COX=ox/toxK=0Cox計(jì)算得到KN=110A/V2KP=62A/V2第一級(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: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以上因此由補(bǔ)償電容最

17、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 在最小輸入情況下，考慮M5處在飽和區(qū)，有而電路的一些基本指標(biāo)有正的CMR 負(fù)的CMR 用負(fù)ICMR公式計(jì)算VDsat5由式（12）我們可以得到下式 如果VDS5值小于100mv，可能要求相當(dāng)大的(W/L)5，如果VDsat5小于0，則ICMR的設(shè)計(jì)要求則可能太過(guò)苛刻，因此，我們可以減小I5或者增大(W/L)5來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，我們?yōu)榱肆粢欢ǖ挠喽任覀僔IC(min)等于-1.1V為下限值進(jìn)行計(jì)算 則可以得到的VDsat5進(jìn)而推出 四、實(shí)驗(yàn)原理&

18、#160;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。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 1.電路布局布線4. 幅頻特性曲線 由圖可以看出增益為34.4+40=74.4Db,符合要求。六、思考題 分析此類電流鏡優(yōu)點(diǎn)，并說(shuō)明原因。 答： 1.獲得了較高的精度：在本電路中，由于電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，下方兩nmos管（圖中1,2）的漏端注入電壓相等，由此，Iout是Iin的精確復(fù)制，即使上方兩mos管（圖中0,3）的輸入電壓發(fā)生變化，對(duì)1,2而言，變化量近似相等，因此Iout Iin即通過(guò)共源共柵級(jí)屏蔽了輸出電壓變化的影響。 2.以降低輸出擺幅為代價(jià)，提高了輸出電阻：各管子均處于飽和或臨界飽和的狀態(tài)。七、實(shí)驗(yàn)分析 在本次設(shè)計(jì)中采用了密勒補(bǔ)償，但