北郵 模擬集成電路設(shè)計 期末實驗報告

1、模擬CMOS集成電路報告北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院模擬CMOS集成電路課程實驗報告 姓 名： 何佳羲 指導(dǎo)老師： 韓可 學(xué) 院： 電子工程 班 級： 2012211207 學(xué) 號： 2012211009 實驗一共源級放大器性能分析3一、 實驗?zāi)康?二、實驗要求3三、實驗結(jié)果3四、 實驗結(jié)果分析4實驗二差分放大器設(shè)計4一、實驗?zāi)康?二、實驗要求4三、 實驗原理5四、實驗結(jié)果5五、思考題7六、選做實驗7實驗三電流源負載差分放大器設(shè)計8一、實驗?zāi)康?二、實驗要求8三、實驗原理8四，實驗結(jié)果9五、實驗分析11實驗四多級放大器11一、實驗?zāi)康?1二、實驗要求11三、實驗內(nèi)容11四、實驗結(jié)果12五、思考題1

2、3六、實驗分析13實驗五兩級運算放大器設(shè)計14一、實驗?zāi)康?4二、 實驗要求14三、 實驗內(nèi)容14四、實驗原理18五、實驗結(jié)果19六、思考題21七、實驗分析21實驗總結(jié)及問題解決22實驗中的問題22實驗心得體會22實驗一:共源級放大器性能分析1、 實驗?zāi)康?、掌握synopsys軟件啟動和電路原理圖（schematic）設(shè)計輸入方法；2、掌握使用synopsys電路仿真軟件custom designer對原理圖進行電路特性仿真；3、輸入共源級放大器電路并對其進行DC、AC分析，繪制曲線；4、深入理解共源級放大器的工作原理以及mos管參數(shù)的改變對放大器性能的影響二、實驗要求1、啟動synopsy

3、s，建立庫及Cellview文件。2、輸入共源級放大器電路圖。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、實驗結(jié)果1、電路圖2、幅頻特性曲線4、 實驗結(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。實驗結(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可見，實際增益大于理論增益。實驗二:差分放大器設(shè)計一、實驗?zāi)康?.掌握差分放大器的設(shè)計方法；2.掌握差分放大器的調(diào)試與性能指標(biāo)的測試方法。二、實驗要求1.確定放大電路；2.確定靜態(tài)工作點Q；3.

4、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)計差分放大器；5.對所設(shè)計電路調(diào)試；6.對電路性能指標(biāo)進行測試仿真，并對測量結(jié)果進行驗算和誤差分析。3、 實驗原理平衡態(tài)下的小信號差動電壓增益AV為：b 1= 2= =nCOX(W/L)四、實驗結(jié)果(表中數(shù)據(jù)單位dB) ，R單位：kW/LR 151015100K19dB24dB24dB25dB200K23dB27dB28dB29dB300K1.1dB19dBX(不工作)X（不工作）改變W/L和柵極電阻，可以看到，R一定時，隨著W/L增加，增益增加，W/L一定時，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，這會限制帶寬

5、的特性，W/L增大時，帶寬會下降。為保證帶寬， 選取W/L=5，R=200K的情況下的數(shù)值，保證了帶寬約為300MHZ，可以符合系統(tǒng)的功能特性，實驗結(jié)果見下圖。1.電路圖2.幅頻特性曲線五、思考題根據(jù)計算公式，為什么不能直接增大R實現(xiàn)放大倍數(shù)的增大？答： 若直接增加Rd，則Vd會增加，增加過程中會限制最大電壓擺幅；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增大還會導(dǎo)致輸出結(jié)點的時間常數(shù)更大。六、選做實驗一、 選做實驗使用二極管代替電阻做負載，實現(xiàn)10dB增益。（忘記截電路圖）1.電路圖暫無2. 幅頻特性曲線如下圖，電路的增

6、益達到10dB。實驗三：電流源負載差分放大器設(shè)計一、實驗?zāi)康?.掌握電流源負載差分放大器的設(shè)計方法；2.掌握差分放大器的調(diào)試與性能指標(biāo)的測試方法。二、實驗要求1.設(shè)計差分放大器，電壓放大倍數(shù)大于30dB；2.對所涉及的電路進行設(shè)計、調(diào)試；3.對電路性能指標(biāo)進行測試仿真，并對測量結(jié)果進行驗算和誤差分析。三、實驗原理 電流鏡負載的差分對傳統(tǒng)運算放大器的輸入級一般都采用電流鏡負載的差分對。如上圖所示。NMOS器件M1和M2作為差分對管，P溝道器件M4，M5組成電流源負載。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。這個電流將鏡像到M5

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

8、面假設(shè)了M1 和M2 相匹配。將式(7-1)代入(7-2)中得到一個二次方程，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轉(zhuǎn)移特性曲線。該放大器的小信號特性參數(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，實驗結(jié)果（表中數(shù)據(jù)單位：dB）W/L（N）W/L（P）40506070529dB30dB30dB31dB1035dB36dB37dB37dB 1536dB37dB37dB38dB選擇nmos(w/L)=50,pmos(w/L)=10數(shù)據(jù)作為結(jié)果：由結(jié)果曲線

9、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，增益下降速率很快。1.電路圖2.幅頻特性曲線五、實驗分析本次實驗是在實驗二的基礎(chǔ)上進行修改調(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)計需要合適的范圍，既不能太小，也不能太大。過小會使得場效應(yīng)管不能進入到飽和區(qū)，過大會使得此放大器的輸出擺幅過小，我們的電路設(shè)計中選擇電源電壓為3V，可以滿足實驗要求。實驗四：多級放大器一、實驗?zāi)康?.自行設(shè)計、調(diào)試一個多級放大電路，滿足實驗規(guī)定要求；2.對實驗電路設(shè)計，調(diào)試過程進行分析，用實驗仿真結(jié)果驗證模擬電路；3.學(xué)會在電路進行檢測后，對對應(yīng)的問題和不足進行對應(yīng)調(diào)節(jié)，有針對性對

10、元件進行調(diào)整的方法。二、實驗要求1.使用實驗三所設(shè)計的電流鏡負載的差分放大器作為第一級，第二級使用單管共源放大器。也可以使用共源共柵結(jié)構(gòu)作為第二級，注意調(diào)節(jié)電壓，注意電壓裕度；2.根據(jù)所畫的電路圖選擇合適的元件，并根據(jù)元件參數(shù)設(shè)置電路中電壓，使所有mos管都工作在飽和區(qū)；3.確定靜態(tài)工作點；4.確定電路中的其它參數(shù)的值。三、實驗內(nèi)容1.設(shè)計二級放大器，電壓放大倍數(shù)大于40dB；2.對所設(shè)計的電路進行設(shè)計、調(diào)試；3.對電路性能指標(biāo)進行測試仿真，并對測量結(jié)果進行驗算和誤差分析，并計算放大電路的GBW。根據(jù)實驗結(jié)果中所選的數(shù)據(jù)，增益為40.82dB，3dB帶寬為3.463MHz，換算增益為Av=10

11、9.9所以增益帶寬積為：GBW=109.9*3.463M=0.381G.四、實驗結(jié)果表中數(shù)據(jù)單位 ：dB,R0單位： W/L（N）R102030405050K35dB38dB38dB47dB38dB100K39dB40dB40dB47dB47dB 150K39dB42dB48dB48dB47dB選擇W/L=30,R0=100k作為結(jié)果數(shù)據(jù)。由仿真過程可知，（W/L）越大，帶寬越小，R0越大，功耗越高。1.電路圖2.幅頻特性曲線五、思考題1.參考電路中兩級之間采用直接耦合的方式，若采用其他耦合方式有何區(qū)別？答：若采用電容耦合的方式，可抑制零點漂移。2.若第二級采用共源共柵結(jié)構(gòu)，有何影響？答：可以

12、提高輸出阻抗。六、實驗分析 本次設(shè)計第一級采用電流源負載的差分放大器，第一級用單管共源放大器。電路的第二級采用共源共柵結(jié)構(gòu)，共源極共柵極結(jié)構(gòu)能夠提過更大的輸出電阻，從而極大的提高增益，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。因為多一層管子至少增加一個對管子的過驅(qū)動電壓。這樣在共源共柵結(jié)構(gòu)的增益與輸出電壓矛盾。電路中兩級之間采用直接耦合的方式，不需要再次設(shè)計M19的直流工作點，采用其他的耦合方式，可能會隔斷他們的直流聯(lián)系，需要重新設(shè)定M19的直流工作點。實驗五：兩級運算放大器設(shè)計一、實驗?zāi)康氖煜ぼ浖氖褂?，了解synopsys軟件的設(shè)計過程。掌握電流鏡的相關(guān)知識和技術(shù)，設(shè)計集

13、成電路實現(xiàn)所給要求。2、 實驗要求 單級放大器輸出對管產(chǎn)生的小信號電流直接流過輸出電阻，因此單級電路的增益被抑制在輸出對管的跨導(dǎo)與輸出阻抗的乘積。在單級放大器中，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。因為多一層管子至少增加一個對管子的過驅(qū)動電壓。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運放，在兩級運放中將這兩個點在不同級實現(xiàn)。如本設(shè)計中的兩級運放，大的增益靠第一級與第二級級聯(lián)而組成，而大的輸出電壓范圍靠第二級的共源放大器來獲得。 設(shè)計一個COMS兩級放大電路，

14、滿足以下指標(biāo)：AV=5000V/V（74dB） VDD=2.5V VSS=-2.5VGB=5MHz CL=5pf SR>10V/us 相位裕度=60度VOUT范圍=-2,2V ICMR=-12V Pdiss<=2mW3、 實驗內(nèi)容確定電路的拓撲結(jié)構(gòu)： 圖中有多個電流鏡結(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M3，M4組成電流鏡結(jié)構(gòu)，如果M3和M4管對稱，那么相同的結(jié)構(gòu)使得在x，y兩點的電壓在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為引入的米勒補償電容。利用表1、表

15、2中的參數(shù)計算得到第一級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) 負的CMR (12)由電路的壓擺率得到=(3*10-

16、12)()10*106)=30A(為了一定的裕度，我們?nèi)　?則可以得到，下面用ICMR的要求計算(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ICMR公式計算由式（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問題，我們?yōu)榱肆粢欢ǖ挠喽任覀兊扔?1.1V為下限值進行計算則可以得到的進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跨導(dǎo)的10倍（allen書p.211例6.2-1），我們設(shè)，為了達到第一級電流鏡負載（M3和M4）的正確鏡像，

17、要求，圖中x，y點電位相同我們可以得到進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、實驗原理電路結(jié)構(gòu): 最基本的 COMS 二級密勒補償運算跨導(dǎo)放大器的結(jié)構(gòu)如圖所示。主要包括四部分：第一級輸入級放大電路、第二級放大電路、偏置電路和相位補償電路。 兩級運放電路圖相位補償: 電路有至少四個極點和兩個零點，假定 z2、p3、p4 以及其它寄生極點都遠大于 GBW，若不考慮零點z1，僅考慮第二極點p2，那么這是一個典型的兩極點決定的系統(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間響應(yīng)。 但在考慮 z1之后， 這個右半平面 （R

18、HP） 的零點在相位域上相當(dāng)于左半平面 （LHP）的極點，所以相位裕度會得到惡化。同時如果為了將兩個極點分離程度增大，則補償電容Cc 就要增大，這也會使得零點減小，進一步犧牲相位裕度，如圖所示。 極點分裂與Cc變化五、實驗結(jié)果1.電路布局布線2.幅頻特性曲線六、思考題分析此類電流鏡優(yōu)點，并說明原因。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，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1,2而言，變化量近似相等，因此IoutIin。即通過共源共柵級屏蔽了輸出電壓變化的影響。2. 以降低輸出

19、擺幅為代價，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、實驗分析在本次設(shè)計中采用了密勒補償，但在包含密勒補償?shù)碾娐分袝a(chǎn)生一個離原點很近的零點，位于 這是由于Cc+CGD6形成從輸入到輸出的回路。這個零點大大降低了電路的穩(wěn)定性。本次設(shè)計中我們增加一個與補償電容串聯(lián)的電阻，從而改善零點的頻率，引入的電阻為RZ，零點的頻率可表示為 ，將此零點移到左半平面來消除第一非主極點，滿足的條件為選定合適的CL與CC，在程序中讀出gm6的值，就可以計算出RZ的值。但是電阻過大會帶來更大的熱噪聲，還會使時間常數(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)

20、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)定性均比較好的達到了實驗要求。實驗總結(jié)及問題解決實驗中的問題 感謝助教老師的幫助和耐心講解，讓我們在解決問題的同時學(xué)習(xí)到了更多的知識，在實驗過程我們遇到了一些問題，總結(jié)如下：1. mos管參數(shù)名不正確：nmos4和pmos4初始名字與仿真庫不同，導(dǎo)致仿真報錯。后經(jīng)助教老師指點，改為NP后解決2. 快捷鍵使用不熟練：首先，返回快捷鍵為u，一開始不知道，導(dǎo)致步驟需要重置時不太方便。此后學(xué)會了使用crtl+B以及Alt+A進行快速仿真和采樣，大大加快了實驗進程3. 元件參數(shù)設(shè)置不合理：起初我們的電阻值較大，W/L較小，首先不