IC課設(shè)報(bào)告張有超U200813586講課講稿

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。IC課設(shè)報(bào)告張有超U200813586-IC課程設(shè)計(jì)報(bào)告電流鏡負(fù)載的差分放大器設(shè)計(jì)華中科技大學(xué)控制科學(xué)與工程系自動(dòng)化0807班張有超U200813586同組人：黃騰、黃開拓、胡嬋目錄一、設(shè)計(jì)目標(biāo)（題目）2二、系統(tǒng)功能定義3三、相關(guān)背景3四、設(shè)計(jì)過(guò)程61、NMOS的特性仿真及參數(shù)推導(dǎo)62、PMOS的特性仿真及參數(shù)推導(dǎo)83、電流鏡負(fù)載的放大器特性仿真及參數(shù)推導(dǎo)10五、個(gè)人心得14六、參考文獻(xiàn)16七、附錄16分工16設(shè)計(jì)目標(biāo)（題目）電流鏡負(fù)載的差分放大器指導(dǎo)老師：陳曉飛（87611245轉(zhuǎn)8509，HYPER

2、LINKmailto:xfchenxfchen）助教：李小晶TelEmail:設(shè)計(jì)一款差分放大器，要求滿足性能指標(biāo)：負(fù)載電容SKIPIF10SKIPIF1100GBW(增益帶寬積)25MHz輸入共模范圍3V功耗、面積盡量小參考電路圖如下圖所示設(shè)計(jì)步驟：仿真單個(gè)MOS的特性，得到某W/L下的MOS管的小信號(hào)輸出電阻和跨導(dǎo)。根據(jù)上述仿真得到的器件特性，推導(dǎo)上述電路中的器件參數(shù)。手工推導(dǎo)上述尺寸下的差分級(jí)放大器的直流工作點(diǎn)、小信號(hào)增益、帶寬、輸入共模范圍。如果增益和帶寬不符合題目要求，則修改器件參數(shù)，并重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程。一旦計(jì)算結(jié)果達(dá)到題目要求，用Hspice仿真驗(yàn)證上述指

3、標(biāo)。如果仿真得到的增益和帶寬不符合要求，則返回步驟2，直至符合要求系統(tǒng)功能定義傳統(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)。如下圖所示。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GS1GS2V=V，則Ml和M2的電流相同。這樣由M5通過(guò)M2的電流將等于是OUTI為零時(shí)M2所需要的電流。如果GS1GS2VV，由于0D1D2I=I+I，D1I相對(duì)D2I要增加。D1I的增加意味著D4I和D5I也增大。但是，當(dāng)GS1V變的比GS2V大時(shí)，D2I

4、應(yīng)減小。因此要使電路平衡，OUTI必須為正。輸出電流OUTI等于差分對(duì)管的差值，其最大值為0I。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GS1GS2VV，OUTI將變成負(fù)。相關(guān)背景NMOS管剖面圖NMOS管I-V特性曲線Mosfet作為信號(hào)放大時(shí)，其輸入的信號(hào)一般為交流信號(hào)，即隨時(shí)間而變化的電信號(hào)，這是器件的特性將因信號(hào)變化的大小及快慢而不同，有低頻、高頻之分。單個(gè)mosfet的主要參數(shù)包括：1.直流參數(shù)：開啟電壓Vt，即當(dāng)Vds為某一固定值使Id等于一微小電流時(shí)，柵源間的電壓。2.交流小信號(hào)參數(shù)：PMOS、NMOS的柵跨導(dǎo)SKIPIF10：SKIPIF10越大，說(shuō)明器件的

5、放大能力越強(qiáng)，可以通過(guò)設(shè)計(jì)寬長(zhǎng)比大的圖形結(jié)構(gòu)來(lái)提高跨導(dǎo)。小信號(hào)電阻SKIPIF10：SKIPIF10說(shuō)明了Vds對(duì)Id的影響，是輸出特性在某一點(diǎn)上切線斜率的倒數(shù)。相關(guān)公式：電流公式：,MOS管等效電阻公式：SKIPIF10=1/gdsSKIPIF10=1/SKIPIF10（mos管要工作于飽和區(qū)）gds=SKIPIF10直流工作點(diǎn)在計(jì)算增益要求的性能指標(biāo)時(shí)要用到如下增益、帶寬公式：小信號(hào)增益：SKIPIF10單位增益帶寬：SKIPIF10電流鏡負(fù)載的差分放大器電路設(shè)計(jì)過(guò)程1、NMOS的特性仿真及參數(shù)推導(dǎo)單個(gè)Nmos管的仿真，NMOS以共源連接方式連接，如圖。其中電流I=40uA，管子寬長(zhǎng)比W=

6、100u，L=1u，VDD=5v仿真網(wǎng)表：nmos.optionslistnodepost.op.LIBD:InstalledHspiceLibCMOS_035_Spice_Model.libTTMpdd00N_33L=1uW=100uIDVDDd40uVDDVDD05v.END得到靜態(tài)仿真結(jié)果：*mosfetssubcktelement0:mpmodel0:n_33regionSaturatiid40.0000uibs-6.249e-21ibd-4.1440fvgs680.3816mvds680.3816mvbs0.vth661.6627mvdsat82.1938mvod18.7189mbe

7、ta18.2183mgameff703.3934mgm705.7681ugds2.5548ugmb263.3084ucdtot136.7248fcgtot326.1779fcstot456.1968fcbtot433.1469fcgs232.5666fcgd14.9154f從以上網(wǎng)表結(jié)果知，在15uA的偏置電流下，NMOS跨導(dǎo)gm=705.7681uS,小信號(hào)模型下的輸出電阻ro=rds=1/gds=1/2.5548u=391.42K推導(dǎo)NMOS器件參數(shù)如下：公式gds=SKIPIF10，得到n=0.06387（1+n*Vds）2、PMOS的特性仿真及參數(shù)推導(dǎo)單個(gè)PMOS管的仿真，將PMOS以

8、共源連接方式連接，如圖。其中電流I=40uA，管子寬長(zhǎng)比W=2u，L=1u。VDD=5v仿真圖形：仿真網(wǎng)表：pmos.optionslistnodepost.op.LIBD:InstalledHspiceLibCMOS_035_Spice_Model.libTTMpDDVDDVDDP_33L=1uW=2uIDD040uVDDVDD05V.END仿真靜態(tài)結(jié)果：*mosfetssubcktelement0:mpmodel0:p_33regionSaturatiid-40.0000uibs1.794e-19ibd10.6777fvgs-1.7641vds-1.7641vbs0.vth-862.216

9、7mvdsat-785.3466mvod-901.8566mbeta105.9427ugameff350.4868mgm75.7664ugds2.4711ugmb14.3361ucdtot3.0888fcgtot9.1884fcstot12.6728fcbtot10.1213fcgs7.5859fcgd254.0724a類似NMOS的推導(dǎo)：Ro=Rds=1/gds=1/2.4711u=404.678Kp=gds/id=2.4711/40=0.0617775(1+p*Vds)Kp=40u/(1.7614-0.8622167)2/1.0617775=46.1uA/V23、電流鏡負(fù)載的放大器特性仿真

10、及參數(shù)推導(dǎo)在如上尺寸下仿真放大器的直流工作點(diǎn)，小信號(hào)增益，帶寬，輸入共模范圍：完整放大器的波形：靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算：選取靜態(tài)工作點(diǎn)為差分對(duì)管的靜態(tài)偏置電壓：1.12VId0=2Id1=2Id2=80uAVout的偏置電壓：Vout(偏置)5*（537/(537+404)）=2.82小信號(hào)增益電壓：Av=gm(ro2|ro4)=706u*(391k|404k)=140.28帶寬：GB=gm/2cf=706u/2*PI*2p=56.2MHZ按題目要求的增益和帶寬都達(dá)到了要求：HSPICE整電路輸入網(wǎng)表：EX4.2commonsourceampACanalysis.LIBD:InstalledHspi

11、ceLibCMOS_035_Spice_Model.libTT.PARAMMn=100u.PARAMzhi=1.12v/直流偏置電壓M11100n_33L=1uW=2uM22100n_33L=1uW=2uM33620n_33L=1uW=Mn/放大管的尺寸M45720n_33L=1uW=MnM54334p_33L=1uW=2uM64354p_33L=1uW=2uIref4180ua/輸入的偏置電流Cl502p/負(fù)載電容Vn62dczhiAC.5v180/輸入端偏置電壓和交流電Vp72dczhiAC.5vVdd40dc5/電源電壓5V.acdec401001000MEG/交流仿真.op/仿真靜態(tài)特

12、性.printVDB(5)V(5)/打印電路圖.end輸出最大值的對(duì)數(shù)頻率特性曲線：從圖中可以看出，系統(tǒng)低頻開環(huán)放大倍數(shù)為174倍：AV=174大于題目要求的100倍：從圖中可以看出：下降3DB后的帶寬，即：增益帶寬積為：0.309MHZ*174=53.766MHZ單位增益帶寬=50.7MHZ五、個(gè)人心得伴隨著IC課程設(shè)計(jì)的結(jié)束，這個(gè)學(xué)期的任務(wù)終于完成了?；叵肫疬@個(gè)課程設(shè)計(jì)，我感慨頗多。雖然一路磕磕絆絆，但是我們最終還是順利的完成了這個(gè)任務(wù)，各項(xiàng)指標(biāo)也達(dá)到了題目要求，同時(shí)也學(xué)到了不少新的知識(shí)，感覺很值得。IC課程設(shè)計(jì)算是我們做過(guò)的所有課程設(shè)計(jì)里面疑惑最大的。以前的課程設(shè)計(jì)，都是在學(xué)過(guò)一個(gè)軟件或

13、者一種新的編程語(yǔ)言之后，按照所學(xué)知識(shí)來(lái)完成。但是IC課程設(shè)計(jì)，對(duì)我來(lái)說(shuō)，所有的基礎(chǔ)就是學(xué)過(guò)的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的課程了，Verilog語(yǔ)言不是很熟練，Hspice更是第一次聽到。所以，我感覺自己要完成這個(gè)IC課程設(shè)計(jì)，必然要從零基礎(chǔ)開始奮斗了。不過(guò)，讓人欣慰的是，這個(gè)課程設(shè)計(jì)是三四個(gè)人一組的，所以我們可以根據(jù)每個(gè)人的特長(zhǎng)分工完成，這樣可以減少每個(gè)人的工作量，不過(guò)對(duì)幾個(gè)人的合作能力是一個(gè)很大的考驗(yàn)。另外，這個(gè)課程設(shè)計(jì)16周布置的，而當(dāng)時(shí)我們基本上每門課都進(jìn)入了結(jié)課階段，各種實(shí)驗(yàn)、考試撲面而來(lái)，這時(shí)候再加個(gè)課程設(shè)計(jì)，大家都難免會(huì)發(fā)些牢騷，但是，最終大家都還是在感慨一下大三就是忙啊之后埋頭開

14、始了課程設(shè)計(jì)。拿到題目之后，我們組并沒有立即開始，也沒有立刻進(jìn)行討論，而是自己先下去消化題目。這是一個(gè)很關(guān)鍵的步驟，要想順利的完成IC課程設(shè)計(jì)，首先就必須要把題目看懂，知道我們要做一個(gè)什么樣的東西出來(lái)，電流鏡負(fù)載的差分放大器，然后就回去復(fù)習(xí)丟掉了大半年的模電知識(shí)，在源極耦合差分放大電路中找到了類似例子?？偹愀忝靼琢宋覀円鍪裁础３苏n本上找到的相關(guān)知識(shí)，我們各自也找了一些資料。網(wǎng)上找到了很多不同學(xué)校的關(guān)于電流鏡負(fù)載差分放大器的相關(guān)內(nèi)容，又從圖書館抱回了一大堆CMOS的書籍，但是感覺最有用的還是其他組的助教發(fā)的一份CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)與仿真?？傊?，在動(dòng)手之前，我們做了大量的準(zhǔn)備工作，所謂兵馬

15、未動(dòng)糧草先行。在搞清楚了理論知識(shí)之后，我們就著手于軟件的研究：Hspice和Viewlogic。Viewlogic比較簡(jiǎn)單，在以前的電子線路測(cè)試試驗(yàn)中用過(guò)類似的圖形編輯軟件，如Pspice等，所以學(xué)習(xí)起來(lái)相對(duì)比較容易，但是貌似Viewlogic和win7不兼容，我們幾個(gè)搞模電題目的同學(xué)遇到的問(wèn)題都是裝不了Viewlogic，不能正常運(yùn)行，在找其他班的同學(xué)交流之后確定是和win7不兼容，于是找同學(xué)用XP系統(tǒng)裝了一個(gè)，畫圖都在這個(gè)機(jī)子上搞定了。我們根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中需要的P型管、N型管和最終的整體電路，調(diào)整各個(gè)元器件的參數(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后便可以自動(dòng)生成網(wǎng)表，與其他工具集成在一起，便可以簡(jiǎn)化模擬和調(diào)試。生成網(wǎng)

16、表以后，要用Hspice對(duì)各個(gè)器件的性能指標(biāo)進(jìn)行仿真，Hspice的激勵(lì)需要自己在文檔中手寫，網(wǎng)表則需要從電路圖中導(dǎo)出來(lái)，可能還需要對(duì)導(dǎo)出來(lái)的網(wǎng)表進(jìn)行修改。尤其是仿真這一段，需要不停的修改參數(shù)，慢慢的調(diào)整需要的指標(biāo)（即放大倍數(shù)和帶寬）達(dá)到要求。雖然很麻煩，但是只要我們對(duì)理論知識(shí)很清楚，并且能熟練的掌握Hspice的操作方法，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也不是很困難。其實(shí)在這個(gè)過(guò)程中，我們遇到了很多問(wèn)題，不管是理論推導(dǎo)還是軟件操作，答疑都起了很大的作用，助教對(duì)我們的幫助很大，而和其他組的同學(xué)或者其他班級(jí)同一個(gè)題目同學(xué)的討論，更是讓我們?nèi)缁⑻硪?，比如仿真NMOS和PMOS單管特性的時(shí)候，不管怎樣設(shè)置WL比，總是達(dá)不到

17、要求，最后在同學(xué)的提醒下將電流增大才滿足要求，而電流是我們?nèi)菀缀雎缘膯?wèn)題，自己檢查過(guò)程中很難發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)，而在和同學(xué)的討論中可以更快的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。最終，通過(guò)自己的努力和助教、同學(xué)的幫助，我們還是痛苦但順利的完成了任務(wù)。課程設(shè)計(jì)過(guò)程中海遇到了其他各種形形色色的問(wèn)題，包括很難的以自己實(shí)力確實(shí)解決不了的問(wèn)題，也有很弱智的比如軟件設(shè)置等問(wèn)題，就不一一列舉了。關(guān)于課程設(shè)計(jì)內(nèi)容就不多說(shuō)了，上面設(shè)計(jì)過(guò)程一步一步已經(jīng)講的很清楚了。下面來(lái)講講這一路走來(lái)，除了知識(shí)水平方面我其他的一些收獲。首先，要做好充分的準(zhǔn)備。不僅僅是IC課程設(shè)計(jì)，都要做好充足的準(zhǔn)備，尤其是理論知識(shí)是掌握，一定要對(duì)以前所學(xué)的知識(shí)有一個(gè)系統(tǒng)的了解，看

18、到一個(gè)新問(wèn)題要知道如何轉(zhuǎn)化為學(xué)過(guò)的知識(shí)。其次，團(tuán)隊(duì)工作要注意分工。當(dāng)然，分工不是說(shuō)只做這一部分，而且，如果對(duì)其他部分不了解，做自己的部分時(shí)候也會(huì)很困難。我們每個(gè)隊(duì)員都要對(duì)這個(gè)課程設(shè)計(jì)有一個(gè)宏觀的了解和把握，知道自己負(fù)責(zé)的部分所處的階段，對(duì)其他隊(duì)員負(fù)責(zé)的部分要有一定的了解，然后對(duì)自己負(fù)責(zé)的部分一定要精益求精，花大工夫，保質(zhì)保量，而且不能拖沓，這樣，團(tuán)隊(duì)工作才能一步一步順利的開展下去。再次，要注重和其他人的交流。三人行必有我?guī)?，不同的人?duì)同一件事物的看法是不一樣的，也許自己的看法就是片面的，所以，我們?cè)诠ぷ鬟^(guò)程中，要注重和其他組或者其他班級(jí)同學(xué)的交流，盡量能做到資源共享，這樣，我們能更容易的發(fā)現(xiàn)自己的錯(cuò)誤和不足，盡快改正，也能用自己的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)提醒別人注意。第四，要保持平和的心態(tài)。這是一個(gè)團(tuán)隊(duì)工作，一定要注意團(tuán)結(jié)，保持平和的心態(tài)。不要看到別人做完了心里流開始慌，一定要淡定，尤其是最后仿真調(diào)試階段，不要浮躁，要根據(jù)參數(shù)要求有理有據(jù)慢慢調(diào)，只要自己方法對(duì)，心態(tài)平和，就一定能調(diào)出來(lái)，完成任務(wù)。IC課程設(shè)計(jì)是我們必經(jīng)的一個(gè)階段，作為一個(gè)工科學(xué)生，我們一定要多重視這樣的課程設(shè)計(jì)。只有多通過(guò)一些實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，才能對(duì)所學(xué)知識(shí)有更扎實(shí)的掌握，才可以真正的做到學(xué)有所用，學(xué)會(huì)所用，將理論和實(shí)踐相結(jié)合