北郵_模擬集成電路設(shè)計(jì)_期末實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院模擬CMOS集成電路課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告 姓 名： 楊珊 指導(dǎo)老師： 韓可 學(xué) 院： 電子工程 班 級(jí)： 2013211204 學(xué) 號(hào)： 2013210926 實(shí)驗(yàn)一:共源級(jí)放大器性能分析1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、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、

2、輸入共源級(jí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果1、電路圖2、幅頻特性曲線當(dāng)R=1K,當(dāng)R=10K,4、 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。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)Rd=1K時(shí)，gm=2735.7u,Av=2.73.當(dāng)Rd=10k時(shí)，gm=173.50u,Av=1.73.由此可知，當(dāng)R增大時(shí)，放大器的性能下降。實(shí)驗(yàn)二:差分放大器設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.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

3、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。3、 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：b 1= 2= =nCOX(W/L)四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表中數(shù)據(jù)單位dB) ，R單位：kW/LR 5101520100K27dB28dB28dB28dB120K27dB27dB28dB29dB300K18dB19dB20dB20dB通過(guò)表格可知，改變W/L和柵極電阻，當(dāng)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，增益也減少。但是由于帶寬的限制，我們不能無(wú)限地增大W/L.為保證帶寬,選取W/L=30，R=30K的情況下的數(shù)

4、值，保證了帶寬約為300MHZ，可以符合系統(tǒng)的功能特性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下圖。1.電路圖2.幅頻特性曲線五、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?.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；

5、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

6、，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IOUT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

7、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，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（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.幅頻特性曲線實(shí)驗(yàn)五：共源共柵電流鏡設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜ぼ浖氖褂?，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)

8、所給要求。二、實(shí)驗(yàn)要求1.低輸出高壓高輸出電阻的電流鏡設(shè)計(jì)；2.電流比1:1；3.輸出電壓最小值0.5V；4.輸出電流變化范圍51000uA。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.確定（W/L）1、（W/L）2、（W/L）3、(W/L)4和溝道長(zhǎng)度L2.驗(yàn)證直流工作點(diǎn)3.仿真驗(yàn)證四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1.電路圖由圖可知，i6=104.6u,idc=100u,所以idc:i61:1,大致符合電流鏡的設(shè)計(jì)要求。且Vmin=0.529.實(shí)驗(yàn)六：兩級(jí)運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜ぼ浖氖褂?，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)集成電路實(shí)現(xiàn)所給要求。2、 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

9、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。 設(shè)計(jì)一個(gè)COMS兩級(jí)放大電路，滿(mǎn)足以下指標(biāo)：AV=5000V/V（74dB） VDD=2.5V VSS=

10、-2.5VGB=5MHz CL=5pf SR>10V/us 相位裕度=60度VOUT范圍=-2,2V ICMR=-12V Pdiss<=2mW3、 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,M8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(chēng)，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中的參數(shù)計(jì)算得到第一級(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

11、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以上所以 即 由于要求的相位裕量，所以可得到=2.2pF因此由補(bǔ)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(fù)的CMR (12)由電路的壓擺率得到=(3*10-12)()10*106)=30A(為了一定的裕度，我們?nèi)　?則可以得到，下

12、面用ICMR的要求計(jì)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(fù)ICMR公式計(jì)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(jì)要求則可能太過(guò)苛刻，因此，我們可以減小或者增大來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，我們?yōu)榱肆粢欢ǖ挠喽任覀兊扔?1.1V為下限值進(jìn)行計(jì)算則可以得到的進(jìn)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(jí)跨導(dǎo)的10倍（allen書(shū)p.211例6.2-1），我們?cè)O(shè)，為了達(dá)到第一級(jí)電流鏡負(fù)載（M3和M4）的正確鏡像，要求，圖中x，y點(diǎn)電位相同我們可以得到進(jìn)而由我們可以得到直流電流同樣由電流

13、鏡原理，我們可以得到四、實(shí)驗(yàn)原理電路結(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。 兩級(jí)運(yùn)放電路圖相位補(bǔ)償: 電路有至少四個(gè)極點(diǎn)和兩個(gè)零點(diǎn)，假定 z2、p3、p4 以及其它寄生極點(diǎn)都遠(yuǎn)大于 GBW，若不考慮零點(diǎn)z1，僅考慮第二極點(diǎn)p2，那么這是一個(gè)典型的兩極點(diǎn)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(shí)間響應(yīng)。 但在考慮 z1之后， 這個(gè)右半平面 （RHP） 的零點(diǎn)在相位域上相當(dāng)于左半平面 （LHP）的極點(diǎn)，所以相位裕度會(huì)得

14、到惡化。同時(shí)如果為了將兩個(gè)極點(diǎn)分離程度增大，則補(bǔ)償電容Cc 就要增大，這也會(huì)使得零點(diǎn)減小，進(jìn)一步犧牲相位裕度，如圖所示。 極點(diǎn)分裂與Cc變化五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1.電路圖2.幅頻特性曲線六、思考題分析此類(lèi)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IoutIin。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

15、設(shè)計(jì)中采用了密勒補(bǔ)償，但在包含密勒補(bǔ)償?shù)碾娐分袝?huì)產(chǎn)生一個(gè)離原點(diǎn)很近的零點(diǎn)，位于 這是由于Cc+CGD6形成從輸入到輸出的回路。這個(gè)零點(diǎn)大大降低了電路的穩(wěn)定性。本次設(shè)計(jì)中我們?cè)黾右粋€(gè)與補(bǔ)償電容串聯(lián)的電阻，從而改善零點(diǎn)的頻率，引入的電阻為RZ，零點(diǎn)的頻率可表示為 ，將此零點(diǎn)移到左半平面來(lái)消除第一非主極點(diǎn)，滿(mǎn)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(jì)算出RZ的值。但是電阻過(guò)大會(huì)帶來(lái)更大的熱噪聲，還會(huì)使時(shí)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(guò)反復(fù)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

16、穩(wěn)定性均比較好的達(dá)到了實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)總結(jié)及問(wèn)題解決實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題問(wèn)題1.mos管參數(shù)名不正確解決：將nmos4和pmos4改為N，P，否則會(huì)出現(xiàn)編譯錯(cuò)誤。問(wèn)題2.放大倍數(shù)不符合實(shí)驗(yàn)要求解決：選擇合適的元件參數(shù)，溝道長(zhǎng)寬比設(shè)置不宜過(guò)小。實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)，我對(duì)synopsys軟件有了一定的認(rèn)識(shí)，了解了一些基本的使用方法和技巧。第一次實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的錯(cuò)誤比較多，但是相對(duì)而言學(xué)到的東西的也比較多，比如如何應(yīng)對(duì)編譯錯(cuò)誤的一些問(wèn)題還有非法關(guān)閉窗口后，如何正確找到文件位置。接下來(lái)的幾次試驗(yàn)都是有助教給好的原理圖，我們根據(jù)原理圖畫(huà)好電路，自行仿真得出實(shí)驗(yàn)要求的參數(shù)，并給老師驗(yàn)收。最后一次實(shí)驗(yàn)需要自行設(shè)計(jì)，對(duì)我們來(lái)說(shuō)也十分有挑戰(zhàn)，但是遺憾的是，由于對(duì)于整個(gè)實(shí)驗(yàn)的理解不夠，我