COMS放大器設(shè)計(jì)教案資料

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。COMS放大器設(shè)計(jì)目錄TOCo1-3hzuHYPERLINKl_Toc282886602一、設(shè)計(jì)思路PAGEREF_Toc282886602h1HYPERLINKl_Toc282886603二、CMOS放大器設(shè)計(jì)PAGEREF_Toc282886603h2HYPERLINKl_Toc2828866042.1、任務(wù)與要求PAGEREF_Toc282886604h2HYPERLINKl_Toc2828866052.2、設(shè)計(jì)要求PAGEREF_Toc282886605h2HYPERLINKl_Toc28288

2、66062.3、對(duì)CMOS放大器的研究與計(jì)算PAGEREF_Toc282886606h2HYPERLINKl_Toc282886607三、電路設(shè)計(jì)及仿真PAGEREF_Toc282886607h6HYPERLINKl_Toc2828866083.1、直流工作點(diǎn)的分析PAGEREF_Toc282886608h7HYPERLINKl_Toc2828866093.2、交流信號(hào)分析PAGEREF_Toc282886609h8HYPERLINKl_Toc2828866103.3、瞬態(tài)分析PAGEREF_Toc282886610h10HYPERLINKl_Toc2828866113.4、小信號(hào)特性分析PA

3、GEREF_Toc282886611h12HYPERLINKl_Toc2828866123.5、壓擺率大信號(hào)分析PAGEREF_Toc282886612h13HYPERLINKl_Toc282886613四、課程設(shè)計(jì)心得PAGEREF_Toc282886613h14HYPERLINKl_Toc282886614五、參考文獻(xiàn)PAGEREF_Toc282886614h15一、設(shè)計(jì)思路日常生活中放大器的用途隨處可見(jiàn)，但關(guān)于用MOS管的放大器還很少，綜合所學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)去設(shè)計(jì)一個(gè)CMOS放大器，本設(shè)計(jì)采用GPDK180工藝，實(shí)現(xiàn)增益大于40dB（即放大100倍以上），相位裕度大于60，功耗小于1mW，同

4、時(shí)用1.8V的電壓源供電。設(shè)計(jì)MOS管所采用的是PMOS和NMOS的組合管構(gòu)成放大器，因?yàn)橥瑯拥捏w積、同樣的摻雜濃度下，PMOS管的電阻會(huì)比NMOS管的電阻要大，所以在這兩種MOS管組成的電路中，采用NMOS作為放大管，而PMOS作為偏置負(fù)載，兩種組合管串聯(lián)起來(lái)，從組合管的中間引出放大的信號(hào)，由于放大倍數(shù)還不夠大，本設(shè)計(jì)采用NMOS管作為放大管，這只是理想中器件的選擇，接下來(lái)就是參數(shù)的計(jì)算以及對(duì)電路設(shè)計(jì)的模擬和仿真。由于采用GPDK180工藝、電源電壓1.8V的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，所以就要在資料庫(kù)中查找并選好MOS管的參數(shù)，對(duì)于MOS管最重要的是W/L的比值，根據(jù)放大倍數(shù)以及對(duì)功耗的要求可求出W/L比

5、，根據(jù)電源電壓可求出驅(qū)動(dòng)電路的電壓值。得到的寬長(zhǎng)比可與資料里面的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，取一定的長(zhǎng)度就可以得出器件的寬度，根據(jù)所選定的器件去查找相應(yīng)的MOS管柵極的氧化層參數(shù)，應(yīng)注意的是在GPDK180工藝中，寬度最大不超過(guò)50nm，長(zhǎng)度最大要180nm以上。為了得到合適的放大倍數(shù)以及較低的功耗，PMOS管和NMOS管連接起來(lái)，PMOS管的上端接電源Vdd下端接NMOS管，下端的NMOS管接地，在兩個(gè)MOS管的中間取出放大信號(hào)，給上端的PMOS管的柵極加一個(gè)適合的偏置，在NMOS管的柵極輸入，根據(jù)以上思路制作本次設(shè)計(jì)二、CMOS放大器設(shè)計(jì)2.1、任務(wù)與要求：設(shè)計(jì)CMOS放大器，要求如下：1采用GPDK180

6、工藝。2增益大于40dB,相位裕度大于60。3功耗小于10mW。4電源電壓為1.8V。2.2、設(shè)計(jì)要求：1）、根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，選取、確定適合的電路結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行計(jì)算分析；2）、電路的仿真與分析，重點(diǎn)進(jìn)行直流工作點(diǎn)、交流AC分析、瞬態(tài)Trans分析、建立時(shí)間小信號(hào)特性和壓擺率大信號(hào)分析，能熟練掌握各種分析的參數(shù)設(shè)置方法；3）、電路性能的優(yōu)化與器件參數(shù)調(diào)試，要求達(dá)到預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)。4)、整理仿真數(shù)據(jù)與曲線圖表，撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告。5）、按照課程設(shè)計(jì)要求，采用GPDK180工藝設(shè)計(jì)，COMS放大器的模型如下：圖1CMOS放大電路模型2.3、對(duì)CMOS放大器的研究與計(jì)算設(shè)計(jì)要求：采用GPDK180工藝；放大

7、增益大于40dB，即100倍以上；相位裕度大于，功耗小于10mW;電源電壓為1.8V。1）、由公式，可得可取2）、采用GPDK工藝，用一個(gè)PMOS管與一個(gè)NMOS管接連做放大器設(shè)定NMOS、PMOS的制作長(zhǎng)度，可知于是有放大電路的交流小信號(hào)模型如下：圖2放大器的小信號(hào)模型:令Vin=0，即3）、4）、5）、根據(jù),在軟件庫(kù)中查到相應(yīng)的NMOS和PMOS的計(jì)算參數(shù)：NMOS：L=0.360.5um，w=1.23um氧化層厚度：PMOS：L=0.360.5um，w=1.23um氧化層厚度：6）、7）、8）、電路放大時(shí)，必須保證NMOS和PMOS同時(shí)工作在飽和區(qū)，9）、設(shè)輸出電壓的最大擺幅為2V，NM

8、OS工作在飽和區(qū)，則應(yīng)滿(mǎn)足的條件：NMOS管處在飽和區(qū)的同時(shí)PMOS也工作在飽和區(qū)，則10）、11）、三、電路設(shè)計(jì)及仿真電路的各個(gè)參數(shù)計(jì)算出來(lái)，本設(shè)計(jì)采用VMwareWorkstation虛擬機(jī)進(jìn)行仿真，VMwareWorkstation是一個(gè)運(yùn)行在Linux系統(tǒng)下版級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的EDA軟件，打開(kāi)虛擬機(jī)后，進(jìn)入虛擬機(jī)的啟動(dòng)電源界面，然后啟動(dòng)虛擬機(jī)的電源，點(diǎn)擊進(jìn)入啟動(dòng)本次設(shè)計(jì)的軟件，雙擊在界面的上方的“新建終端”動(dòng)作圖標(biāo)，在終端輸入cdwork/gpdk180回車(chē)后，輸入icbf指令就到了icfb文件下，在界面對(duì)話框中選擇file/new/library，彈出對(duì)話框newliabrary，在名字框

9、中填入文件夾名zhang，選擇attachtoanexistingtechfile,在彈出的對(duì)話框中選擇gpdk180后，點(diǎn)OK回到icfb。再選擇file/new/cellview，在libraryname選擇的基礎(chǔ)上新建一個(gè)fangda的library名，點(diǎn)擊OK即可。根據(jù)以上的操作和計(jì)算，在gpdk180下設(shè)計(jì)出電路圖，并進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，選擇PMOS管的w=50u，l=200n；選擇NMOS的w=37u,l=400n.設(shè)置后設(shè)計(jì)的初步圖設(shè)為：圖3CMOS放大設(shè)計(jì)圖3.1、直流工作點(diǎn)的分析畫(huà)好電路圖后要看設(shè)計(jì)的是否正確，經(jīng)過(guò)多次修改后得出最好的參數(shù)設(shè)置，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)的仿真，接下來(lái)

10、是對(duì)所設(shè)計(jì)的電路做直流（DC）分析。因此輸入信號(hào)采用直流電壓源信號(hào)輸入，其電壓為參數(shù)的電壓2.75V。具體電路如下：圖4直流分析電路繪制好電路圖之后修改各器件的參數(shù)知道接恰當(dāng)為止，修改好參數(shù)后點(diǎn)擊checkandsave，保存好后選擇tools/analogenvironment，進(jìn)入VirtuosoAnalogDesignEnvironment模擬環(huán)境,在彈出的對(duì)話框中選擇choose，再在彈出的對(duì)話框中選擇DC分析，并在SaveDCoperatingPoint選項(xiàng)上選中，點(diǎn)擊OK回到analogenvironment;選擇運(yùn)行Simulation/NetlistandRun,然后選擇Res

11、ult/Print/DCOperatingPoints進(jìn)行結(jié)果的查看，在彈出界面之前點(diǎn)擊最右邊電源V0，就得到本次設(shè)計(jì)電路運(yùn)行結(jié)果的參數(shù)。進(jìn)過(guò)多次調(diào)整兩個(gè)MOS管的W/L后得到符合本設(shè)計(jì)要求所規(guī)定的參數(shù)值，電流為3.43494mA還不算小，功率為6.1829mW10mW,所得的結(jié)果如下，由結(jié)果可看出，設(shè)計(jì)電路模擬出來(lái)的電流和功率基本符合本次設(shè)計(jì)要求，圖中數(shù)據(jù)的符號(hào)代表方向。圖5直流分析結(jié)果3.2、交流信號(hào)分析在進(jìn)行交流分析之前要先將NMOS輸入的信號(hào)源換成交流源，其DC分析電壓為原來(lái)的直流分析是的電壓，頻率設(shè)為1KHz，具體電路如下：圖6交流分析電路圖換好交流信號(hào)電壓源后點(diǎn)擊checkands

12、ave，保存好后選擇tools/analogenvironment，進(jìn)入VirtuosoAnalogDesignEnvironment模擬環(huán)境,在彈出的對(duì)話框中選擇choose，再在彈出的對(duì)話框中Analysis選擇AC分析，在SweepVariabl/Frequence，在SweepRanged的Start_Stop的start里輸入1，在Stop里輸入100G；再在Sweeptype里選擇Logarihmic，并在PointsPerDecade。點(diǎn)擊OK回到analogenvironment;選擇運(yùn)行Simulation/NetlistandRun,然后選擇Result/Directpol

13、t/MainForm，在彈出的對(duì)話框中選擇Voltage，在Modifer下選擇20dB，再在原理圖中點(diǎn)擊輸出線，進(jìn)行結(jié)果的查看，對(duì)交流信號(hào)的仿真結(jié)果如下：圖7交流放大增益仿真由結(jié)果可看出放大增益約44dB，放大倍數(shù)符合本次設(shè)計(jì)的要求躍升頻率約為。同理在VirtuosoAnalogDesignEnvironment模擬環(huán)境中的Modifer選擇Phase的得到放大倍數(shù)和相位仿真，結(jié)果如下，從圖中可看出相位裕度絕對(duì)大于60.放大倍數(shù)大于40dB，這是調(diào)整并優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求圖8增益與相位仿真3.3、瞬態(tài)分析進(jìn)行Trans分析，將輸入接交流源，設(shè)定參數(shù)DC值為原來(lái)直流模擬時(shí)值，調(diào)試幅度

14、為10mV，頻率為1KHz，設(shè)計(jì)電路圖如下圖9瞬態(tài)分析電路圖設(shè)置好信號(hào)電壓源后點(diǎn)擊checkandsave，保存好后選擇tools/analogenvironment，進(jìn)入VirtuosoAnalogDesignEnvironment模擬環(huán)境,在彈出的對(duì)話框中選擇Output/ToBePoltted/selectfromSchmatic,進(jìn)入SahmaticEdit窗口，點(diǎn)擊“in”和“out”線，選擇電壓輸出。點(diǎn)擊OK回到analogenvironment;選擇運(yùn)行Simulation/NetlistandRun,然后選擇Result/Directpolt/MainForm，在彈出的對(duì)話框中

15、選擇Voltage，然后在電路圖上選擇“in”和“out”線，再在原理圖中點(diǎn)擊輸出線，進(jìn)行結(jié)果的查看，對(duì)交流信號(hào)的仿真結(jié)果如下：圖10Trans分析結(jié)果由圖可知，輸入的是余弦波，輸出是與之反相的正弦波，波形沒(méi)有失真，方向?yàn)檩斎氲姆聪颍驗(yàn)槎x了50ps延時(shí)，所以輸入輸出在時(shí)間上不精確對(duì)準(zhǔn)，中的說(shuō)來(lái)放大倍數(shù)是達(dá)到要求的。3.4、小信號(hào)特性分析建立時(shí)間小信號(hào)特性分析接入信號(hào)源信號(hào)源的電壓為2.75V，上升和下降時(shí)間為1ps，脈沖寬度為500ps，時(shí)段為1ns，換好交流信號(hào)電壓源后點(diǎn)擊checkandsave，保存好后選擇tools/analogenvironment，進(jìn)入VirtuosoAnalo

16、gDesignEnvironment模擬環(huán)境,在彈出的對(duì)話框中選擇choose，再在彈出的對(duì)話框中Analysis選擇Trans分析，在Stoptime選項(xiàng)里輸入30p，點(diǎn)擊OK確定回到analogenvironment;選擇運(yùn)行Simulation/NetlistandRun,然后選擇Result/Directpolt/MainForm，在彈出的對(duì)話框中選擇Voltage，再在原理圖中點(diǎn)擊輸出線（out），進(jìn)行結(jié)果的查看，對(duì)交流信號(hào)的仿真結(jié)果如下：圖11Trans的小信號(hào)建立從圖可看出小信號(hào)建立的時(shí)間約為12ps3.5、壓擺率大信號(hào)分析壓擺率是指單位時(shí)間（一般用微秒）器件輸出電壓值的可改變的

17、范圍壓擺率，意思就是HYPERLINK/view/389763.htmt_blank運(yùn)算放大器輸出電壓的轉(zhuǎn)換速率繪制好電路圖之后修改各器件的參數(shù)知道接恰當(dāng)為止，修改好輸入信號(hào)的參數(shù)后點(diǎn)擊checkandsave，保存好后選擇tools/analogenvironment，進(jìn)入VirtuosoAnalogDesignEnvironment模擬環(huán)境,在彈出的對(duì)話框中選擇choose，再在彈出的對(duì)話框中選擇DC分析，在SweepVariabl/ComponemtParameter，點(diǎn)擊SelectComponent之后或自動(dòng)切換到原理圖上，選擇V1，在彈出的對(duì)話框選擇DC，壞到前面的選擇分析窗口，在

18、SweepRanged的Start_Stop的start里輸入1，在Stop里輸入4；再在Sweeptype里選擇Linear，在StepSize里填上0.01。點(diǎn)擊OK回到analogenvironment;選擇運(yùn)行Simulation/NetlistandRun,然后選擇Result/Directpolt/MainForm，在彈出的對(duì)話框中選擇Voltage，再在原理圖中點(diǎn)擊輸出線，進(jìn)行結(jié)果的查看，即可得到仿真的結(jié)果：圖12壓擺率大信號(hào)分析從圖中可看出，由于電壓為1.8V，其從高電平越變?yōu)榈碗娖降闹禐?.5V左右。四、課程設(shè)計(jì)心得集成電路課程設(shè)計(jì)終于完成了，一開(kāi)始什么什么都不知道做，因?yàn)槲?/p>

19、們沒(méi)有學(xué)到真正能用于實(shí)際的，一開(kāi)接到課題，都不知道如何下手，只知道跟做老師講的去做，外加以前學(xué)的一點(diǎn)點(diǎn)，自己慢慢去做，但具體就不知道這么做了，到后來(lái)參考了他們的設(shè)計(jì)，我才有了了具體的做法，本次設(shè)計(jì)就是要找好MOS管的W/L比及其他參數(shù)，在cadence軟件里去查找了所要用的器件的參數(shù)，然后計(jì)算出來(lái)，但是實(shí)際做的時(shí)候往往要改很多不當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)，只有仿真出來(lái)的結(jié)果才會(huì)證明計(jì)算是不是對(duì)的，很多不懂得只有自己琢磨著去做，同自己慢慢的摸索，最后還是一步一步的的把結(jié)果做出來(lái)了。對(duì)于我們電子專(zhuān)業(yè)還是什么工科專(zhuān)業(yè)，不管是硬件設(shè)計(jì)還是軟件設(shè)計(jì)，都要分模塊設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)思路都是自頂向下，自底向上。知識(shí)的連貫性體現(xiàn)于應(yīng)用。我覺(jué)得學(xué)習(xí)在于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于自己，而不是一味的依靠別