全差分運(yùn)放實(shí)驗(yàn)

1、 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 兩級(jí)CMOS全差分運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)和仿真2 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 1、軟件的安裝2 HYPERLINK l bookmark17 o Current Document Cadence orcad 的安裝2 HYPERLINK l bookmark21 o Current Document Hspice 的安裝2 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 1.3Cosmos Sco

2、pe 的安裝2 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 2、實(shí)驗(yàn)要求2 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 3、電路圖手工計(jì)算33.1運(yùn)放主結(jié)構(gòu)計(jì)算33.2偏置電路53.3共模反饋電路7 HYPERLINK l bookmark169 o Current Document 4、使用Orcad繪制電路圖7 HYPERLINK l bookmark172 o Current Document 5、 電路仿真 11 HYPERLINK l bookmark176 o Current Document 6、仿真

3、結(jié)果查看13 HYPERLINK l bookmark180 o Current Document 7、其他性能參數(shù)的仿真15兩級(jí)CMOS全差分運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)和仿真1、軟件的安裝在該試驗(yàn)中要用到三個(gè)軟件，分別為Cadence orcad （繪制電路圖與網(wǎng)表提取工具）， Hspice （電路仿真工具）和Cosmos Scope（仿真結(jié)果查看工具）。所有用到的軟件安裝程序 均放在D盤EDA文件夾中。Cadence orcad 的安裝打開D盤中的edaOrCad9.23，點(diǎn)擊Setup.exe，點(diǎn)擊下一步，到輸入Install Code步驟， 打開Crack文件夾中的Install.tex文件，將

4、Orcad Capture后面的碼復(fù)制到Install Code里， 然后點(diǎn)擊下一步。直至安裝完畢。Hspice的安裝打開D盤edahspice_vA-2008.03，點(diǎn)擊Hspice的安裝程序進(jìn)行安裝，均點(diǎn)擊下一步， 直至安裝結(jié)束。然后將該文件夾中的hspice2008.lic文件拷貝到C:synopsysHspice_A-2008.03 下。右鍵點(diǎn)擊電腦桌面我的電腦/屬性/高級(jí)/環(huán)境變量/系統(tǒng)變量（如果只想讓管理員用，則 是administrator的用戶變量）/新建/變量名lm_license_file變量值就是license文件的路徑， /hspice2008.lic，也就是變量值為

5、C:synopsysHspice_A-2008.03hspice2008.lic 然后確定。1.3Cosmos Scope 的安裝打開 D 盤 edacosmos2007HSpice_CosmosScope_Z-2007.03-SP1_win,點(diǎn)擊安裝程序進(jìn) 行安裝。然后將 edacosmos2007hspice-license 文件夾中 的 cosmos2007.dat 文件拷貝 到 C:synopsysZ-2007.03-SP1 文件加下。右鍵點(diǎn)擊電腦桌面我的電腦/屬性/高級(jí)/環(huán)境變量/系統(tǒng)變量，點(diǎn)擊剛才新建的變量，也 就是lm_license_file，在先前輸入的變量值后面，輸入分號(hào)，

6、然后輸入 C:synopsysZ-2007.03-SP1cosmos2007.dat，也就是 Hspice 和 Cosmos 兩者的變量值用分號(hào) 隔開。2、實(shí)驗(yàn)要求在本實(shí)驗(yàn)中，要求所設(shè)計(jì)的運(yùn)算放大器采用5V電源電壓，負(fù)載電容為5pF，滿足直流 增益80dB，單位增益帶寬20MHz，相位欲度大于60度，差分壓擺率（slew rate）100V/us。3、電路圖手工計(jì)算該運(yùn)放電路由運(yùn)放主結(jié)構(gòu)，偏置電路和共模反饋電路三部分組成。3.1運(yùn)放主結(jié)構(gòu)計(jì)算圖1運(yùn)放的主電路結(jié)構(gòu)首先，我們從CSMC 0.5um工藝庫(kù)文件中得到工藝參數(shù)：r C = 112.99 x10-6 F / V / S，r C = 71.

7、77 x10-6 F / V / S，Vhn = 0.7231V，V =0.906V1、確定Miller補(bǔ)償電容Cc為了保證相位裕量有60 0，我們要求第二極點(diǎn)2和零點(diǎn)七滿足以下兩個(gè)條件：w 10w，w 2w T gm9 10 g-m1，gm9 2 g-m1。z u p uCCCCCLCC貝0，CC 0.2Cl = 0.2 x5 pF = 1 pF，這里，我們?nèi)?CC = 2pF。2、確定兩級(jí)放大器中的工作電流共模負(fù)反潰的輸入端電流與差模輸入端相同，因此輸入級(jí)的工作電流I = 1 SR C = 50V / us 2pf = 50uADS12 C由于有一些寄生電容，并盡可能提高設(shè)計(jì)性能，預(yù)留一些

8、余量。可以取IDS1= 200uA， 則 I 13 = 400uA。2 C L CMFB輸出級(jí)工作電流為，IDS =絲(C_ + C + c) = 800A。同樣，由于有一些寄生電容，預(yù)留一些余量取I= 900M。DS ,113、計(jì)算放大管的跨導(dǎo)gm根據(jù)全差分Slew Rate要求，SR = 1.5 X 2，DS1 = DSu g m1DS1CC3;儼弋=3 V w。212 eff 1 uDS1Veff 14、M1管的有效電壓，V =； = 0.425V。eff 13 Wu HYPERLINK l bookmark125 o Current Document 21M1 管的跨導(dǎo) g =ds1

9、= 0.941x10-3 A / V。m1Veff 1WWWg =2h c (了)1 (;) = (了)。(該處由同學(xué)自己計(jì)算)m1 P ox L 1 DS1 L 2 L 1根據(jù)第二極點(diǎn)是單位增益帶寬的兩倍，七=2w尸C = 2 X C。LCM9 管的跨導(dǎo) g 9 = 2 x Cm1 X CL = 4.705 x 10-3 A / VC胛 Wg =舟 C (了)I - (?)(該處由同學(xué)自己計(jì)算) m9n ox L 9 DS 9L 9W W(L)9= M)10，M9管的有效電壓匕92IDS9 = 0.383k。gm 9電流源偏置管和Cascode管的尺寸假定電流源偏置管M13、M11、M12、

10、M7和M8，和Cascode管M3-M6的有效電壓=0.3V，Veff這樣可以計(jì)算出所有管子的尺寸參數(shù)。W假定-=0，則(了)13eff 132IDf13， (該處由同學(xué)自己計(jì)算)H fox”W(LIDS4+W) I() DS 13L 13=1 - (W)2 L 11=(W) = 9(W)，(W) = (W)(該處由同學(xué)自己L 124 L 13 L 11 L 12計(jì)算)M11-M12管子的有效電壓，匕11=匕12= 0。假定V廣0M、取C如（該處由同學(xué)自己計(jì)算）假定V廣。W、21則（甘）=L 5號(hào)稿,w、 ，w、（L）5=（ L）6 （該處由同學(xué)自己計(jì)算）假定V3 = 0則(L)321DS3叩

11、匕3221八，Cascode 管M3 的跨導(dǎo)為，g =ds = 2x 10-3A/V。m3 Veff 35、Miller補(bǔ)償電阻RC的確定我們將零點(diǎn)從右半平面移動(dòng)左半平面，并且使其為單位增益帶寬頻率w的1.2倍，則RC總 門 Ohom。（該處由同學(xué)自己計(jì)算） ml由此，運(yùn)放主結(jié)構(gòu)的各個(gè)晶體管尺寸和電容電阻值均計(jì)算出來(lái)，在這里可以取所有管子的 L=2um03.2偏置電路1、偏置電壓的估算偏置電壓的估算匕=VDD - (Vh + Vff 13) = 5 (0.906 + 0.4) = 3.694V = V + (V + V ) - V - (V + V )b 2 in,comth, p eff 1

12、SD1th, p eff 3=2.5 + (.906 + 0.531) - 0.5 - (0.906 + 0.4) =2.131 V= V + V + V = 0.723 + 0.4 + 0.4 = 1.523Vb3th ,nDS 7DS 5ti = * +匕刃=0.723 + 0.4 = 1.123V (該電壓并不由偏置電路產(chǎn)生，而是 由共模反饋電路提供)圖2偏置電路2、偏置電路管子尺寸的計(jì)算在共源共柵輸入級(jí)中需要三個(gè)電壓偏置，為了使得輸入級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍大一些，根據(jù)寬擺幅電流源的設(shè)計(jì)要求，必須滿足WWW(-)=(-)=(-)L blLb 2Lb 3(3-9)WWW WWW W()=()=()=

13、(一)=(一)=()=4()L b5L b 6L b13 L b 7L b8 L b14Lb 4WO)-()()4()L b10L bllL b12(3-11)設(shè)定偏置電流IbE25uA，這樣所有管子中的電流均為25曲，設(shè)定匕0，計(jì)算 可以得到Mb1-Mb12的尺寸為：WWW(-)=(-)=(-)L b1L b2L b3(-)=(-)=(-)=(-)=(-)L b5L b 6 L b 7L b 8L b 9W(L )b 4W(L)b1W=(L)bn（該處由同學(xué)自己計(jì)算）3.3共模反饋電路圖3是采用的共模負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，其工作原理如下：當(dāng)(Voutn+V)utp)/2Vcom時(shí)，反 饋電平降低，

14、導(dǎo)致輸出管的柵極電壓升高，從而把輸出電壓拉下，最終使差分輸出的共模值 穩(wěn)定在Vcom左右；當(dāng)(Voutn+Voutp)/2VcomBt，反饋電平Vcmfb升高，導(dǎo)致輸出管柵極電壓 降低，從而把輸出電壓抬高，最終使差分輸出的共模值穩(wěn)定在Vcom左右。在該電路中，Vb1與運(yùn)放主結(jié)構(gòu)的Vb1為同一個(gè)電壓，Vcm=2.5V，Vcmfb就是反饋回運(yùn) 放主結(jié)構(gòu)的電壓，也就是圖1中的Vcntrl。采運(yùn)放輸出的電阻電容取值都很大，在這里可以 取電阻為100M，電容為5pF。圖3共模電路共模負(fù)反饋放大器輸入級(jí)與差模放大器輸入級(jí)相匹配，直流工作電流相同。為了提高增 益也采用Cascode結(jié)構(gòu)，因此管子尺寸與運(yùn)放主

15、結(jié)構(gòu)直接相關(guān)：W W(L)1廣(L)，WW1 W(L)廣(L)e = 2(L)1WW(L *廣？W 2 ,W、(；)18= * (該處由同學(xué)自己計(jì)算)4、使用Orcad繪制電路圖打開 Orcad，點(diǎn)擊 file-new-project，彈出對(duì)話框，在 name 上填寫 full opamp，在 Location 處，點(diǎn)擊Browse，建立自己的工作目錄(此處建立目錄名不要使用中文，否則Hspice2008無(wú)法仿真）并將路徑指定到該工作目錄下。然后點(diǎn)擊OK。在彈出的空白頁(yè)面處，點(diǎn)擊p鍵，彈出如下對(duì)話框，點(diǎn)擊Add Library按鈕，按如下路 徑Library-pspice找到source.ol

16、b文件，然后打開，這樣source.olb庫(kù)文件被添加上。同樣方 式將D:edalib文件夾下的CSMC.OLB和HSPICE.OLB兩個(gè)庫(kù)文件添加上。圖4添加MOS管：空白界面處點(diǎn)擊p鍵，彈出圖4所示界面，此時(shí)為已經(jīng)添加了庫(kù)文件的 界面。找到CSMC庫(kù)，其中nvp為此設(shè)計(jì)中使用的PMOS管，nvn為使用的NMOS管。選 中所需要的管子，然后點(diǎn)擊OK就可以將管子添加到電路圖界面。雙擊W=20u或者L=0.6u 就可以更改管子的寬長(zhǎng)比。連線：點(diǎn)擊w鍵，就可以將兩點(diǎn)連在一起。為連線起名：在電路圖繪制界面的最后側(cè)，找到N1按鈕，如圖5所示，點(diǎn)擊該按鈕， 輸入為某根連線所命的名字，然后將鼠標(biāo)放置到該線

17、上，就可以為線命名。在電路中，當(dāng)兩 根線起相同的名字，表明這兩根線連在一起。添加電源和地：首先在繪制電路圖時(shí)，為圖中電源線命名vcc，為圖中的地線添加地信GND號(hào)，方式如下：點(diǎn)擊吉圖標(biāo)，找到source庫(kù)中的0，然后添加到圖中的地線上。之后點(diǎn)擊 p鍵，找到source庫(kù)中的vdc，并將該電壓值設(shè)為5V，并繪制如圖6所示。V ccV1swell：旦-需要添加交流小信號(hào)，所添加的激勵(lì)方vo+和vo-分別為運(yùn)放的輸出，電壓源圖6添加輸入激勵(lì)信號(hào)：全差分運(yùn)放的交流仿真中， 式如圖7所示。圖中vin+和vin-分別為運(yùn)放的輸入 V2和V3為交流信號(hào)源，在source庫(kù)中，為VAC信號(hào)源。電容U4、U5和

18、電阻U2、U3在 CSMC庫(kù)中，設(shè)定電容值為1F（注意：更改電容值時(shí)，就將該值改為1，不要加F，否則就 變?yōu)榱?1fF），電阻值設(shè)為100meg。圖7添加庫(kù)文件和仿真語(yǔ)句：找到CSMC庫(kù)，將該庫(kù)中的Templete添加到頁(yè)面處。雙擊每 一行就可以更改語(yǔ)句。將語(yǔ)句改為如圖8所示。第一行表示仿真所用的庫(kù)文件的路徑，該文 件放置在D:edalib下，為了方便，將該文件拷貝至D盤根目錄下。.op表示靜態(tài)工作點(diǎn)分 析，.ac dec 100 1 1G,表示在頻率1至1G范圍做頻率分析。.lib d:h05hvcddtt09v0l lib ttop.ac dec 100 1 1G圖8最后繪制完成的運(yùn)放電路

19、圖如圖9和圖1 （該圖中刪除了管子的寬長(zhǎng)比和電阻電容值）， 圖中所需要的電流源在source庫(kù)中，為idc。圖9運(yùn)放主結(jié)構(gòu)和共模反饋電路5、電路仿真電路圖繪制完后，點(diǎn)擊將下圖11所示的對(duì)話框選中，然后在橫欄處如圖12所示，點(diǎn)擊 Create netlist按鈕，彈出如圖13所示對(duì)話框，點(diǎn)擊Pspice按鈕，然后將文件的后綴名由net 改為sp。點(diǎn)擊確定。啟動(dòng)Hspice工具，點(diǎn)擊Open，打開上一步提取出的網(wǎng)表文件，界面如圖14所示。然 后Edit NL，對(duì)提取出來(lái)的網(wǎng)表文件進(jìn)行修改，找到網(wǎng)表文件的最后部分，對(duì)lib文件的路 徑進(jìn)行修改，在提取過(guò)程中丟失了表示路徑的，在這里將 添加上即可，如圖

20、15所示例子。 然后點(diǎn)擊Simulate進(jìn)行仿真。圖11陞|急|%|性I U?|町|叫建|w|ii| S 包囹Create netli st圖12圖14.libad:h05hucddtt09u01.lib tt.op .acdec 100 1 1G.end修改前.libd:hO5hucddtt09u01.lib tt.op .acdec 1OQ 1 1G.end修改后圖156、仿真結(jié)果查看首先看電路的直流工作點(diǎn)是否正確，也就是看各個(gè)管子所處的工作區(qū)。點(diǎn)擊Hspice界 面的Edit LL，找到該文件的最后部分，可以看到各個(gè)管子的直流工作點(diǎn)分析結(jié)果。要確保 所有管子不能處于截止?fàn)顟B(tài)。打開Cosmos Scope工具，點(diǎn)擊open-plotfiles，在所建的目錄下找到.ac0文件，然后打 開。在彈出的如圖16所示窗口，找到v(vo+)，雙擊，即顯示交流仿真的結(jié)果。在波形顯示 窗口雙擊橫坐標(biāo)，彈出如圖17所示窗口，將scale選為L(zhǎng)og。圖16圖17點(diǎn)擊 Cosmos scope 最下面的按鈕，在彈出的窗口中，點(diǎn)擊At X，然后選擇General