共柵運(yùn)算跨導(dǎo)放大器

1、 折疊式共源-共柵運(yùn)算跨導(dǎo)放大器姓名：劉淑杰 學(xué)號(hào)：U200714149 班級(jí)：2007級(jí)2班院系：控制系 專業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器 同組人姓名：黃大龍 葛金炬 目 錄1設(shè)計(jì)目標(biāo)12相關(guān)背景知識(shí)2(1)課題背景2(2)題目理解23設(shè)計(jì)過(guò)程33.1 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)33.2 主要電路參數(shù)的手工推導(dǎo)33.3計(jì)算DC 增益43.4計(jì)算GBW63.5實(shí)際計(jì)算83.6參數(shù)驗(yàn)證104 電路仿真114.1 用于仿真的電路圖114.2 仿真網(wǎng)表114.3 仿真波形135 討論15收獲和建議16參考文獻(xiàn)181設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)一款折疊式共源-共柵跨導(dǎo)運(yùn)算放大器（Design a Folded Cascode OTA），其設(shè)計(jì)

2、指標(biāo)見(jiàn)下表，參考電路原理圖如下圖所示，用0.35um coms工藝。CloadDC GainGBWVddIdd3pF40dB50dB300MHz3VDont Care圖： 折疊式共源-共柵跨導(dǎo)運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)步驟與要點(diǎn)：1.直流工作點(diǎn)的分析與設(shè)計(jì)（DC operation point design and analysis）1) 假設(shè)所有的MOS管均工作在飽和區(qū)，VGS-VT=200mV，VDD=3V， VSS= 0V，計(jì)算OTA的最大輸出擺幅。2) 基于0.35 um CMOS工藝，計(jì)算和設(shè)計(jì)MOS管的尺寸，使OTA電路滿足最大輸出擺幅的要求。3) 以下數(shù)據(jù)可供設(shè)計(jì)參考L1,2,3,4 = L

3、min; Lmin= 1m。2.在HSpice電路仿真軟件，對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行模擬仿真與設(shè)計(jì)2相關(guān)背景知識(shí)(1)課題背景共源共柵級(jí)的普及有兩個(gè)主要原因。第一個(gè)主要原因是它們由于大輸入阻抗，對(duì)單級(jí)有相當(dāng)大的增益。為了得到這個(gè)高增益，與輸出節(jié)點(diǎn)相連的鏡像電流源可以用高質(zhì)量共源共柵鏡像電流源實(shí)現(xiàn)。通常，得到這個(gè)高增益不會(huì)導(dǎo)致任何速度降低，而且有時(shí)還會(huì)提高速度。使用共源共柵級(jí)的第二個(gè)原因是它們限制了輸入驅(qū)動(dòng)晶體管上的電壓。這最小化了任何短溝道效應(yīng)，它在使用的晶體管溝道長(zhǎng)度非常短的現(xiàn)代技術(shù)中越來(lái)越重要。折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器不僅能提高增益、增加電源電壓噪聲抑制能力，而且在輸出端允許自補(bǔ)償。(2)

4、題目理解本題目要求是基于0.35umCMOS工藝，驗(yàn)證一種折疊共源共柵的運(yùn)算放大器的參數(shù)指標(biāo)。理論計(jì)算和實(shí)際分析相結(jié)合，并用HSPICE仿真結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求其電路共有八個(gè)MOS管組成，其中M1/M11/M2/M22構(gòu)成折疊式差分電路，M3/M33/M1/M11構(gòu)成共源共柵電路。M1是共源結(jié)構(gòu)，整個(gè)電路的放大主要是由M1完成，電流源IB1做M1的有源負(fù)載；M3是共柵結(jié)構(gòu)，M4做M3的有源負(fù)載。由于整個(gè)電路是對(duì)稱的，可以以半邊電路為研究對(duì)象來(lái)求解折疊式運(yùn)放的小信號(hào)電壓增益。 假設(shè)所有的MOS管都工作在飽和區(qū)，此時(shí)M4可以當(dāng)做一個(gè)電流源，且保證VGS-VT=200mV。因此在進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析時(shí)

5、，要盡量調(diào)整電壓VB1,VB2，VR1來(lái)使所有的MOS的VGS-VT在200MV左右。折疊式運(yùn)算放大器的一個(gè)重要特性是控制輸入共模電平接近電源供給的一端電壓。補(bǔ)償通過(guò)負(fù)載電容C1和C2實(shí)現(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)主要極點(diǎn)補(bǔ)償。本題要求用0.35um的工藝，設(shè)計(jì)使所有的L都為1um。3設(shè)計(jì)過(guò)程3.1 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖： 折疊式共源-共柵跨導(dǎo)運(yùn)算放大器3.2 主要電路參數(shù)的手工推導(dǎo)（1）計(jì)算OTA的最大輸出擺幅假設(shè)所有MOS管都工作在飽和區(qū)：最高輸出電壓：=3-0.2=2.8V最低輸出電壓：+=0.4V輸出電壓峰峰值： +=2.8V -0.4V=2.4V輸出直流電壓：2.8V-1.2V=1.6V因此輸出擺幅在0.4

6、V2.8V（2）計(jì)算和設(shè)計(jì)MOS管的尺寸工藝參數(shù)如下：真空介電常數(shù)為 相對(duì)介電常數(shù)：氧化層的厚度：電子的遷移率：空穴的遷移率： 氧化層的電容為：溝道調(diào)制參數(shù)為： ，其中溝道長(zhǎng)度L的單位為：um 3.3計(jì)算DC 增益畫(huà)出OTA等效的的小信號(hào)模型根據(jù)KCL定理可以得到關(guān)系式：把（1）式帶入下式：得到：則最后化簡(jiǎn)的表達(dá)式為：3.4計(jì)算GBW首先計(jì)算出節(jié)點(diǎn)nout和n1的阻抗于是：得到表達(dá)式：3.5實(shí)際計(jì)算1）根據(jù)電路要求，要求GBW為30MHZ，即2）電壓增益要求在40DB到50DB之間，即 而 所以 即：又由于在飽和區(qū)，實(shí)際存在溝道調(diào)制效應(yīng) 取電流 由薩式方程可得：又因?yàn)殡娏?而電流所以得到：3.

7、6參數(shù)驗(yàn)證 經(jīng)過(guò)仿真，可得到以下直流工作點(diǎn)的參數(shù)： ， ，于是 因此增益為：以DB為單位： ，實(shí)際仿真結(jié)果約為43DB，有一定的波動(dòng)，但出入不大。此時(shí)，單位增益帶寬為：因?yàn)闆](méi)有考慮到MOS管在高頻率的工作條件下的電容效應(yīng)，理論與實(shí)際有一定的偏差，實(shí)際仿真中，得到的單位增益帶寬為：GBW=30.3M，滿足題目要求。4 電路仿真4.1 用于仿真的電路圖由于VIEWLOGIC生成的網(wǎng)表有些問(wèn)題，所以在后面的仿真中采用直接編寫(xiě)網(wǎng)表。4.2 仿真網(wǎng)表.TITLE OTA .OPTIONS LIST NODE POST .OP *電路網(wǎng)表*M1 6 8 10 10 P_33 L=1U W=37U M11

8、7 9 10 10 P_33 L=1U W=37U M4 3 2 1 1 P_33 L=1U W=3.21U M41 4 2 1 1 P_33 L=1U W=3.21U M2 6 11 12 12 N_33 L=1U W=5.97U M21 7 11 12 12 N_33 L=1U W=5.97U M3 3 5 6 6 N_33 L=1U W=1.75U M31 4 5 7 7 N_33 L=1U W=1.75U Cload1 3 0 3P Cload2 4 0 3P *R1 8 13 1MEG*R2 3 13 10MEGVDD 1 0 3V VSS 12 0 0V VB1 2 0 1.72V

9、 VB2 11 0 1.17V VR1 5 0 1.88V IB1 1 10 200U VIN- 8 0 DC=1.5V AC=1V 180 VIN+ 9 0 DC=1.5V AC=1V *直流仿真*.DC Vin- 0 5 0.15 *+ Vin+ 2.5V *.PRINT DC V(3) *交流仿真*.AC DEC 10 0 50MEG .PRINT AC VDB(3) VDB（4） *.LIB 'D:CMOS_035_Spice_Model.lib' TT .END 注釋：第1行.TITLE OTA為標(biāo)題行；第2行.OPTIONS LIST NODE POST為可選項(xiàng)設(shè)置

10、，LIST打印出元件總結(jié)列表；NODE打印出元件節(jié)點(diǎn)表；POST 表示用何種格式儲(chǔ)存模擬后的數(shù)據(jù)，以便與其他工具接口； 第3行.OP 計(jì)算直流工作點(diǎn)；第4-15行為電路描述語(yǔ)句，給出8個(gè)MOS管的連接節(jié)點(diǎn)，L、W參數(shù)值以及電阻電容的節(jié)點(diǎn)和參數(shù)值；第16行VDD 1 0 3V 表示在節(jié)點(diǎn)1和GND之間加直流電壓3V；第17行VSS 12 0 0V表示節(jié)點(diǎn)12和GND之間電壓是0，即節(jié)點(diǎn)12的電位是0V；第18行VB1 2 0 1.72V表示在節(jié)點(diǎn)2和GND之間加直流電壓1.72V；第19行VB2 11 0 1.17V表示在節(jié)點(diǎn)11和GND之間加直流電壓1.17V；第20行VR1 5 0 1.88

11、V表示在節(jié)點(diǎn)5和GND之間加直流電壓1.88V； 第21行IB1 1 10 200U表示在節(jié)點(diǎn)1和10之間加直流電流200uA;第22行VIN- 8 0 DC=1.5V AC=1V 180表示在節(jié)點(diǎn)8和GND之間加直流電壓1.5V和幅值為1V，初始相角為180度的交流電壓；第23行VIN+ 9 0 DC=1.5V AC=1V 表示在節(jié)點(diǎn)9和GND之間加直流電壓1.5V和幅值為1V，初始相角為0度的交流電壓；第24行.DC Vin- 0 5 0.15 電壓源Vin-從0V掃描到5V，每次增量為0.15V；第25行+ Vin+ 2.5V 接著24行，電壓源Vin+輸入直流2.5V；第26行.PRI

12、NT DC V(3) V（4）打印交流分析類型的節(jié)點(diǎn)3，4的電壓；第27行.AC DEC 10 0 50MEG 指從0-50MHZ范圍，每個(gè)數(shù)量級(jí)取10點(diǎn)，交流小信號(hào)分析；第28行.PRINT AC VDB(3) VDB（4）打印交流分析類型的節(jié)點(diǎn)3，4的電壓，以DB單位；第29行.LIB 'D:CMOS_035_Spice_Model.lib' TT表示加入CMOS 0.35um工藝庫(kù)，存放的路徑是D:CMOS_035_Spice_Model.lib；第30行.END為結(jié)束語(yǔ)句。實(shí)際電路部分不需要重復(fù)。但每種仿真激勵(lì)和相關(guān)命令都要給出。4.3 仿真波形(1)交流小信號(hào)分析：運(yùn)

13、放的輸出端接3pF的負(fù)載電容，在電源電壓為3V，共模輸入電壓為1.5V，在運(yùn)放輸入端接差分交流信號(hào)1V，兩輸入端的輸入交流信號(hào)相位相反的條件下做交流小信號(hào)分析，電路圖連接如下：小信號(hào)低頻電壓增益DC gain： 低頻小信號(hào)電壓增益分析圖從圖上看出，低頻電壓增益約43DB，滿足設(shè)計(jì)要求（40DB50DB）。單位增益帶寬GBW： 低頻小信號(hào)單位增益帶寬分析圖從圖上看出，0DB對(duì)應(yīng)的頻率為30MHZ，很好的滿足設(shè)計(jì)要求（GBW=30MHZ）。(2)直流分析:OTA最大輸出電壓擺幅：Vin+接2.5V的直流電壓，Vin-輸入端加從0.25V到5V的直流掃描電壓，仿真得到運(yùn)放輸出電壓擺幅特性如圖所示：

14、最大輸出擺幅分析圖從圖上可以看出，輸出電壓擺幅是0.4V3V，與理論值0.4V2.8V有一點(diǎn)出入，但基本吻合。5 討論設(shè)計(jì)指標(biāo)表格如下：設(shè)計(jì)指標(biāo)理論值實(shí)際值DC gain4050DB 43DBGBW30MHZ 30MHZ輸出電壓范圍0.4V2.8V0.4V3.0V分析如下：可以看到DC增益和GBW都很好的達(dá)到要求，與理論相符。輸出最大電壓為3V，略大于理論值2.8V，也在波動(dòng)范圍內(nèi)。因此整個(gè)設(shè)計(jì)是滿足設(shè)計(jì)要求的。實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的困難是用理論值進(jìn)行仿真時(shí)，無(wú)論怎樣調(diào)節(jié)VB1，VB2，VR1的值，增益可以達(dá)到要求，但帶寬最多只有15MHZ?？紤]到理論計(jì)算時(shí)GBW直接影響W1，于是修改W1=37u，再經(jīng)過(guò)

15、調(diào)整，最終達(dá)到指標(biāo)，所以理論計(jì)算與實(shí)際仿真還是有一定的誤差的。調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)VB1，VB2，VR1的取值對(duì)指標(biāo)影響非常大，VB1主要影響增益，VB2是反應(yīng)最靈敏的，一點(diǎn)點(diǎn)改變都會(huì)造成很大的影響，所以應(yīng)該先固定VB2，再調(diào)試其他，而VR1則起輔助增益和帶寬的作用，做微調(diào)用。收獲和建議（1） 個(gè)人體會(huì)報(bào)告進(jìn)展到這一部分，意味著聲勢(shì)浩大的IC課程設(shè)計(jì)進(jìn)入了尾聲，這個(gè)學(xué)期結(jié)束了，寒假也來(lái)臨了，心中不免頗多感觸。不光是因?yàn)檫@一路走的太辛苦，縱使仍有些不滿意，但也無(wú)悔了，只為自己曾經(jīng)付出的努力。猶記得剛拿到這個(gè)題目時(shí)的情景，還沒(méi)有選題，同學(xué)中就籠罩著一種恐怖的氣氛，大家都在祈禱不要抽到模電的題目?？墒瞧?/p>

16、我們就這么“不幸”，看著那一長(zhǎng)串的題目，根本不知道如何下手。說(shuō)實(shí)話當(dāng)時(shí)我沒(méi)有多少信心，總覺(jué)得這樣的課設(shè)都是男生大顯身手的時(shí)候。那時(shí)正值備考高峰期，而我的一門專業(yè)選修課恰好也有一份課設(shè)要完成，于是我就把IC往后推了推。這期間也零零碎碎的搜集一些資料，軟件下載、安裝，把模電，IC的書(shū)都翻出來(lái)從頭看起，甚至沖動(dòng)到要熬夜把老師推薦的那本P.E.艾倫寫(xiě)的CMOS模擬電路設(shè)計(jì)一書(shū)啃完，小組討論了一次，仍是一頭霧水。直到第一次去答疑，助教給了一些參考資料，才算有了一點(diǎn)起色，于是就著手理論計(jì)算。開(kāi)始不知道要加入溝道調(diào)制的影響，計(jì)算到W2時(shí)就卡住了。我還要負(fù)責(zé)HSPICE軟件的使用,對(duì)照著HSPICE使用說(shuō)明一

17、點(diǎn)一點(diǎn)的摸索，真的是從頭看起，輸入輸出，元器件，激勵(lì)源因?yàn)檫@種軟件以前沒(méi)怎么接觸過(guò)，上手起來(lái)不是很容易，現(xiàn)在想想當(dāng)時(shí)不能只顧著看文字說(shuō)明，根本沒(méi)有直觀感受，應(yīng)該實(shí)際拿幾個(gè)例子看看，就會(huì)容易一些。總算是把網(wǎng)表大概樣子寫(xiě)出來(lái)了，導(dǎo)入HSPICE進(jìn)行仿真。這時(shí)出現(xiàn)的難題是我手上沒(méi)有關(guān)于HSPICE操作的資料，僅有的是些關(guān)于如何編寫(xiě)網(wǎng)表的理論知識(shí)，于是向助教請(qǐng)教，發(fā)給我一份關(guān)鍵資料CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)與仿真（基本版）。就模仿著書(shū)上介紹的例子，可是一些很基礎(chǔ)的還是不知道，比如Vin-與Vin+輸入電壓怎么給？怎樣寫(xiě)表示兩個(gè)是反向的？怎樣從圖上看出DC gain和GBW？VB1，VB2，VR1這些電壓

18、又是多少？沒(méi)有辦法了，只好臨時(shí)向第九題的助教請(qǐng)教（我們助教當(dāng)時(shí)有事），也謝謝他抽空給我解答。進(jìn)展到這里看似就比較順利了，圖形出來(lái)了，指標(biāo)也讀出來(lái)了。但是問(wèn)題又來(lái)了，怎樣調(diào)VB1，VB2，VR1的值都達(dá)不到帶寬要求，最后只好改W1的值。開(kāi)始調(diào)試也沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)，胡亂修改，總想著哪次碰到就調(diào)好了，殊不知這是最沒(méi)有效率的方法。應(yīng)該一個(gè)一個(gè)的調(diào)試，從變化最大的那個(gè)開(kāi)始。熬到兩點(diǎn)終于把參數(shù)調(diào)出來(lái)，指標(biāo)完成的很好，只是W1修改的跟理論值有些出入。 寫(xiě)了這么多只是想把自己這一路的點(diǎn)滴記錄下來(lái)，當(dāng)然不能表達(dá)完整，有時(shí)候困擾的不是技術(shù)上的難題，更多的是心里上的掙扎。比如看到周圍同學(xué)都在著手微機(jī)原理，自控原理這些關(guān)鍵科目的學(xué)習(xí)，我卻呆在寢室把軟件拆了又裝，周圍組都是男生出面，我們組卻要女生挑大梁，甚至自己起著領(lǐng)頭的作用。還好隔壁班的一位同學(xué)也是唱獨(dú)角戲，于是就跟他一起合作，共同解決了不少問(wèn)題。 關(guān)于這次IC課設(shè)自己的收獲，我想有二點(diǎn)：一是通過(guò)自己的努力解決了一個(gè)實(shí)際問(wèn)題，完成一個(gè)從0到1的跨越，一次自我的挑戰(zhàn)；二是對(duì)于CMOS設(shè)計(jì)方法有了一些了解，揭開(kāi)了它神秘的面紗，不再覺(jué)得恐懼；對(duì)于一些通用的課題研究方法有了切身的體會(huì)，為以后的學(xué)習(xí)提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。 至于建議，只是覺(jué)得課程設(shè)計(jì)安排的時(shí)間不是很合理，但這恰恰也是一個(gè)大的考驗(yàn)。關(guān)