全差分運放實驗

1、 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 兩級CMOS全差分運算放大器的設(shè)計和仿真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、實驗要求2 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 3、電路圖手工計算33.1運放主結(jié)構(gòu)計算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CMOS全差分運算放大器的設(shè)計和仿真1、軟件的安裝在該試驗中要用到三個軟件，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，點擊Setup.exe，點擊下一步，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， 然后點擊下一步。直至安裝完畢。Hspice的安裝打開D盤edahspice_vA-2008.03，點擊Hspice的安裝程序進行安裝，均點擊下一步， 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。右鍵點擊電腦桌面我的電腦/屬性/高級/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,點擊安裝程序進 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。右鍵點擊電腦桌面我的電腦/屬性/高級/環(huán)境變量/系統(tǒng)變量，點擊剛才新建的變量，也 就是lm_license_file，在先前輸入的變量值后面，輸入分號，

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 隔開。2、實驗要求在本實驗中，要求所設(shè)計的運算放大器采用5V電源電壓，負載電容為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、電路圖手工計算該運放電路由運放主結(jié)構(gòu)，偏置電路和共模反饋電路三部分組成。3.1運放主結(jié)構(gòu)計算圖1運放的主電路結(jié)構(gòu)首先，我們從CSMC 0.5um工藝庫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補償電容Cc為了保證相位裕量有60 0，我們要求第二極點2和零點七滿足以下兩個條件：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、確定兩級放大器中的工作電流共模負反潰的輸入端電流與差模輸入端相同，因此輸入級的工作電流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)計性能，預(yù)留一些

8、余量?？梢匀DS1= 200uA， 則 I 13 = 400uA。2 C L CMFB輸出級工作電流為，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)自己計算)m1 P ox L 1 DS1 L 2 L 1根據(jù)第二極點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)自己計算）假定V廣。W、21則（甘）=L 5號稿,w、 ，w、（L）5=（ L）6 （該處由同學(xué)自己計算）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補償電阻RC的確定我們將零點從右半平面移動左半平面，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)自己計算） ml由此，運放主結(jié)構(gòu)的各個晶體管尺寸和電容電阻值均計算出來，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算在共源共柵輸入級中需要三個電壓偏置，為了使得輸入級的動態(tài)范圍大一些，根據(jù)寬擺幅電流源的設(shè)計要求，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)自己計算）3.3共模反饋電路圖3是采用的共模負反饋實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，其工作原理如下：當(Voutn+V)utp)/2Vcom時，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(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與運放主結(jié)構(gòu)的Vb1為同一個電壓，Vcm=2.5V，Vcmfb就是反饋回運 放主結(jié)構(gòu)的電壓，也就是圖1中的Vcntrl。采運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共模電路共模負反饋放大器輸入級與差模放大器輸入級相匹配，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)自己計算)4、使用Orcad繪制電路圖打開 Orcad，點擊 file-new-project，彈出對話框，在 name 上填寫 full opamp，在 Location 處，點擊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無法仿真）并將路徑指定到該工作目錄下。然后點擊OK。在彈出的空白頁面處，點擊p鍵，彈出如下對話框，點擊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兩個庫文件添加上。圖4添加MOS管：空白界面處點擊p鍵，彈出圖4所示界面，此時為已經(jīng)添加了庫文件的 界面。找到CSMC庫，其中nvp為此設(shè)計中使用的PMOS管，nvn為使用的NMOS管。選 中所需要的管子，然后點擊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比。連線：點擊w鍵，就可以將兩點連在一起。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，點擊該按鈕， 輸入為某根連線所命的名字，然后將鼠標放置到該線

17、上，就可以為線命名。在電路中，當兩 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，為圖中電源線命名vcc，為圖中的地線添加地信GND號，方式如下：點擊吉圖標，找到source庫中的0，然后添加到圖中的地線上。之后點擊 p鍵，找到source庫中的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，所添加的激勵方vo+和vo-分別為運放的輸出，電壓源圖6添加輸入激勵信號：全差分運放的交流仿真中， 式如圖7所示。圖中vin+和vin-分別為運放的輸入 V2和V3為交流信號源，在source庫中，為VAC信號源。電容U4、U5和

18、電阻U2、U3在 CSMC庫中，設(shè)定電容值為1F（注意：更改電容值時，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添加庫文件和仿真語句：找到CSMC庫，將該庫中的Templete添加到頁面處。雙擊每 一行就可以更改語句。將語句改為如圖8所示。第一行表示仿真所用的庫文件的路徑，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最后繪制完成的運放電路

19、圖如圖9和圖1 （該圖中刪除了管子的寬長比和電阻電容值）， 圖中所需要的電流源在source庫中，為idc。圖9運放主結(jié)構(gòu)和共模反饋電路5、電路仿真電路圖繪制完后，點擊將下圖11所示的對話框選中，然后在橫欄處如圖12所示，點擊 Create netlist按鈕，彈出如圖13所示對話框，點擊Pspice按鈕，然后將文件的后綴名由net 改為sp。點擊確定。啟動Hspice工具，點擊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，對提取出來的網(wǎng)表文件進行修改，找到網(wǎng)表文件的最后部分，對lib文件的路 徑進行修改，在提取過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。 然后點擊Simulate進行仿真。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是否正確，也就是看各個管子所處的工作區(qū)。點擊Hspice界 面的Edit LL，找到該文件的最后部分，可以看到各個管子的直流工作點分析結(jié)果。要確保 所有管子不能處于截止狀態(tài)。打開Cosmos Scope工具，點擊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，彈出如圖17所示窗口，將scale選為Log。圖16圖17點擊 Cosmos scope 最下面的按鈕，在彈出的窗口中，點擊At X，然后選擇General