模擬集成電路設(shè)計訓(xùn)練報告

模擬集成電路設(shè)計實驗?zāi)M集成電路設(shè)計訓(xùn)練報告題目：用運算放大器實現(xiàn)的振蕩器院系：信息學(xué)院電子工程系專業(yè)：集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)學(xué)號：姓名：……指導(dǎo)教師：…..

目錄一、 實驗環(huán)境 3二、 實驗題目 3三、 實驗電路理論推導(dǎo) 4(一) 啟動電路 4(二) 偏置電路 5(三) 振蕩電路 6(四) 遲滯比較器電路 10(五) T觸發(fā)器電路 12四、 實驗電路仿真參數(shù)、結(jié)果及分析 13(一) 啟動電路 13(二) 偏置電路 14(三) 振蕩電路 15(四) 遲滯比較器電路 18(五) T觸發(fā)器電路 19(六) 總電路 22五、 實驗過程遇到的主要障礙以及解決過程 23六、 實驗心得 25實驗環(huán)境本實驗所采用的EDA工具是Cadence。Cadence是一個大型的EDA軟件，它幾乎可以完成電子設(shè)計的方方面面，包括ASIC設(shè)計、FPGA設(shè)計和PCB板設(shè)計，Cadence在仿真、電路圖設(shè)計、自動布局布線、版圖設(shè)計及驗證等方面有著絕對的優(yōu)勢。本實驗中涉及的部分主要是CadencecdsSPICE。CadencecdsSPICE是眾多使用SPICE內(nèi)核的電路模擬軟件之一。實驗題目此題是做一個基于運算放大器的振蕩器，下圖是題目提供的初始簡單原理電路圖。為了實現(xiàn)保證以及提高電路的功能，在此基礎(chǔ)上，再加上啟動電路、偏置電路、遲滯比較器以及T觸發(fā)器。圖（1）實驗電路理論推導(dǎo)啟動電路啟動電路原理圖Q端連接著偏置電路，實際上，偏置電路工作在零電流的條件下的可能性很大，除非長期去預(yù)防措施，振蕩電路需要自啟動電路來防止偏置電路停留在零電流狀態(tài)。一旦抵達想要的工作點，還要求啟動電路不能妨礙正常的偏置電路的基準(zhǔn)工作點。只要基準(zhǔn)偏置電路逃離零電流狀態(tài)，會立即驅(qū)動其自身進入期望的穩(wěn)定狀態(tài)。在穩(wěn)定狀態(tài)，起動電路不影響穩(wěn)定狀態(tài)時所期望的電流值。當(dāng)VDD把電流加在R1上面的時候，R1為M1帶來導(dǎo)通電壓，一旦M1導(dǎo)通，M1的漏極電壓逐漸升高，直至M2也導(dǎo)通，此時M2為偏置電路帶來電流，當(dāng)電流達到偏置電路工作點，此時的R1和R2的壓降使得M2的柵極電壓迅速下降，M1和M2截止，此時自啟動電路不再妨礙正常的偏置電路的基準(zhǔn)工作點。想要達到以上的過程，R1和R2必須非常大，這樣他們的壓降才能使M2的柵極電壓幾乎為0。此外，R1要比R2的阻值大許多，這樣才能讓M1也截止，整個自啟動電路停止工作。M1和M2的溝道長度也不能太短，防止溝道調(diào)制效應(yīng)。偏置電路偏置電路原理圖此處所用偏置是一個恒定跨導(dǎo)電路，COMS管的電流公式如下Id=首先，如果想要保證Id1和Id2的電流相等的話，就需要M1和M2的寬長比相等，即(W/L)1=(W/L)2。其次，M3、M4和RS將會決定電流的具體大小，從電路中我們可以得出：V且V則有Vrs=所以設(shè)置的M3的寬長比要略大于M4，即(W/L)3>(W/L)4。需要注意的是，此處的M3有襯偏效應(yīng)。襯偏電壓是直接加在源極和襯底之間的反向電壓，它可以使場感應(yīng)結(jié)的耗盡層厚度進一步展寬，并引起其中的空間電荷面密度增加，從而導(dǎo)致閾值電壓Vth升高,而閾值電壓的升高又將進一步影響到器件的Id及其整個的性能，例如柵極跨導(dǎo)降低等。所以RS上面的壓降要盡量小，小到可以忽略，最好在100mv以下，這樣可以減小襯偏效應(yīng)帶來的影響。這個偏置電路的特點是對溫度的變化的敏感性較低，其一，從上面的公式可以看出，Vth被消掉了，Vth一般隨著溫度的升高減小，所以這個因素被消掉了；其二，在保證RS與溫度變化無關(guān)的條件下，偏置電路的溫度敏感性很低。振蕩電路振蕩電路原理圖這是一個遲滯比較器在實際應(yīng)用中組成的振蕩器電路。在實際的應(yīng)用中，利用電路的遲滯特性可以有效地克服噪聲和干擾的影響。只要噪聲和干擾的大小處在遲滯的寬度之內(nèi)，就不會引起錯誤的階躍。這個振蕩電路由一個RC滯后移相電路和滯回比較電路組成。首先分析RC滯后移相電路部分，此部分可以簡化為以下電路示意圖V0+V--+R3CRC振蕩電路的頻率為ffRC振蕩電路的增益為A(jω)A(ω)A(ω)1A(ω)10.710ω/ω0ω/ω0當(dāng)ω=ω0時，增益，RC的移相網(wǎng)絡(luò)均為衰減網(wǎng)絡(luò)，-45-45°-90°0ω/ω0φ(ω)11通常需要3節(jié)以上的RC網(wǎng)絡(luò)才能構(gòu)成反饋振蕩器，因為電路必須提供180度相移，此處我僅采用了一節(jié)RC相移網(wǎng)絡(luò)電路，因為在滯回比較電路部分提供了足夠的相移和增益，滿足了振幅起振條件。RC在這個振蕩器中充當(dāng)定時元件的功能。R和C都是定時元件，輸出的兩個門限電壓的計算如下。輸入高電平Vih，輸出高電平Voh的關(guān)系式子演算如下：VVVt1=VDD·代入上述式子，得表達式V同理可得輸入高電平Vil，輸出高電平Vol的關(guān)系式子V電路工作過程中，假設(shè)t=0時，Vo=Voh，且C上面的起始電壓為零，此時，Voh通過R向C充電，C上的電壓按照指數(shù)規(guī)律上升，直到Vc的值等于輸入電壓高電平Vih時停止，注意，此處的電容C上的電壓等效為這個運算放大器的輸入電壓。這個過程實際上就是零狀態(tài)響應(yīng)。根據(jù)KVL（基爾霍夫電壓定律），我們可以得出Voh=Vr將Vr3=R3·IVoh=解出這個一階線性非齊次方程，我得出了Vc=Vi=Voh(1-e-C上面的電壓按照指數(shù)規(guī)律上升，直到其值等于Vih時，Vo由Voh下躍到Vol,C又通過R3來放電，這是實際上是一個零輸入響應(yīng)過程，通過計算，可以得出以下關(guān)系式：Vc=Vihi=C上面的電壓按照指數(shù)規(guī)律下降，直到其值等于Vil時，Vo由Vol上躍到Voh,如此循環(huán)往復(fù)，就形成輸出所需要的方波。ViltViltVihOVitVohOVoVolC處充電電壓波形圖輸出電壓波形圖經(jīng)過計算可得，振蕩周期為T遲滯比較器電路遲滯比較器電路圖電壓比較器中的運放一般處于開環(huán)狀態(tài)或接入正反饋,運放工作在非線性狀態(tài)。這個電壓比較器采用的是一個運算放大器電路處于開環(huán)狀態(tài)的差分反相放大器電路。差分放大電路采用雙端輸入，單端輸出，V1是同相輸入端，V2是反相輸入端，判斷同相好反相的方法是輸入電壓與輸出電壓的數(shù)值關(guān)系來判定同相和反相端。同相輸入端輸入一個參考電壓，這個參考電壓直接由下拉電阻分壓提供，反相輸入端則輸入由振蕩器輸出的方波。當(dāng)V1電位高于V2至少0.1V以上,我們就可以認為V1的電位高于V2,同相輸入端處于高電位時，輸出端也為高電位。設(shè)M1和M2的等效電阻為r1、r2，r1=r2，所以M1和M2寬長比應(yīng)該相等，讓兩邊的電流相等，M3和M4的寬長比也要一致，M5的電流是M1和M2的電流的加總，M5的溝道要較長，防止溝道調(diào)制效應(yīng)的影響太大。理想情況理想情況VOV2VOV2V’實際情況實際情況輸出電壓特性圖上圖中V’在實際電路中范圍較小，比較難調(diào)，所以將M1和M2的柵極相連，使得兩邊的Vgs相等，穩(wěn)定輸出電壓的直流工作點。給V1輸入一個閾值電壓，設(shè)置閾值電壓V1=1.5V。若V1>V2，則V0高電平；若V1<V2，則V0低電平；差模增益為：A最小工作電壓（估算）：M1中：Vds1=M3中：Vds3M5中：Vds5最小工作電壓：VT觸發(fā)器電路T觸發(fā)器內(nèi)部的反相器電路電路的T觸發(fā)器由邊沿D觸發(fā)器連接而成。邊沿D觸發(fā)器具有接收并記憶信號的功能，又稱為鎖存器，它的觸發(fā)方式屬于脈沖觸發(fā)方式，不存在約束條件和一次變化現(xiàn)象，抗干擾性能好，工作速度快。振蕩電路的輸出波形的頻率難以調(diào)整到準(zhǔn)確的50%占空比，運用T觸發(fā)器能夠進行波形整形以及將輸出波形的占空比調(diào)整至精準(zhǔn)的50%。實驗電路仿真參數(shù)、結(jié)果及分析啟動電路啟動電路原理圖（左圖含仿真結(jié)果，右圖含元件參數(shù)）元件(w/l)寬長比/阻值區(qū)備注R410KR6900KM35u/1uRegion2M55u/1uRegion2偏置電路偏置電路原理圖（左上包含仿真結(jié)果，右上包含元件參數(shù)）元件(w/l)寬長比/阻值區(qū)備注M04u/1uRegion2M44u/1uRegion2M25u/1uRegion2M15u/1uRegion2振蕩電路此處節(jié)點設(shè)為T2，這是振蕩電路的輸出節(jié)點此處節(jié)點設(shè)為此處節(jié)點設(shè)為T2，這是振蕩電路的輸出節(jié)點此處節(jié)點設(shè)為T1此處節(jié)點設(shè)為T3振蕩電路原理圖（含元件參數(shù)）振蕩電路原理圖（含仿真參數(shù)）元件(w/l)寬長比/阻值區(qū)備注M1025u/5uRegion2M925u/5uRegion2M73u/1uRegion2M83u/1uRegion2M03u/1uRegion2M194u/1uRegion2M125u/1uRegion2R2100KR1100KR8300KR9300KT1節(jié)點和T2節(jié)點的仿真結(jié)果三角波的高度即遲滯量的大小T2節(jié)點和T3節(jié)點的仿真結(jié)果遲滯比較器電路遲滯比較器原理圖（左上含仿真結(jié)果，右上含元件參數(shù)）元件(w/l)寬長比/阻值區(qū)備注M145u/1uRegion2M155u/1uRegion2M165u/1uRegion2M185u/1uRegion2M1710u/5uRegion2T觸發(fā)器電路T觸發(fā)器內(nèi)部組成反相器原理圖（左上含仿真結(jié)果，右上含元件參數(shù)）元件(w/l)寬長比/阻值區(qū)備注M2920u/1u此處各個CMOS管的區(qū)隨著電路狀態(tài)改變而改變，此處不寫具體的區(qū)M3120u/1uM2110u/1uM2010u/1uM3420u/1uM2410u/1uT觸發(fā)器內(nèi)部組成原理圖T觸發(fā)器測試輸出功能的仿真結(jié)果T觸發(fā)器電路的輸入輸出仿真結(jié)果1T觸發(fā)器電路的輸入輸出仿真結(jié)果2總電路整個電路分為五個部分，分別是啟動電路、偏置電路、振蕩電路、遲滯電路以及T觸發(fā)器電路。啟動電路防止偏置電路處在零電流的狀態(tài)，在啟動了偏置電路之后停止工作；偏置電路為這個電路提供偏置電壓；振蕩電路用來產(chǎn)生目標(biāo)方波，遲滯電路將輸出的方波整形；T觸發(fā)器電路把輸出波形的占空比調(diào)制為50%。電路的中心是振蕩電路，振蕩電路的太直需要端來反饋電路來把運算放大器的區(qū)域調(diào)好跑，再來調(diào)整波形的產(chǎn)生。實驗過程遇到的主要障礙以及解決過程T觸發(fā)器的電壓問題：在做T觸發(fā)器的過程中，我先使用的是D觸發(fā)器的原理圖，在此基礎(chǔ)上連接T觸發(fā)器，但是它出來的結(jié)果一直不對。解決：檢查了數(shù)次電路圖之后仍然是一樣的結(jié)果，后來發(fā)現(xiàn)是我的供給電壓出了問題，把供給電壓從1v換成了3.3v之后，之前連的電路出來的結(jié)果就顯示正常。核心所在：在之前的實驗中，我曾經(jīng)做過類似的電路，我理所當(dāng)然地直接把前面的電路部分復(fù)制過來，沒有再關(guān)注它的電壓設(shè)置情況。所以，盡量不要復(fù)制電路，因為每個電路都有自己的特殊性，復(fù)制可能導(dǎo)致電路的某個微小部分和具體實際電路不一致，導(dǎo)致工作異常，而這種錯誤很難發(fā)現(xiàn)，因為電路制作者對復(fù)制的電路沒有強的“戒備心”，默認為復(fù)制的就是好的。振蕩器的運算放大器的元件參數(shù)設(shè)置問題：在斷開振蕩器，單獨調(diào)整內(nèi)部運算放大器的過程中，我的各個元件的區(qū)始終有一個CMOS管調(diào)不到region2。解決：如下圖所示，我把M13的寬長比增大，約為左邊M7、M8的兩倍，然后再進行細微的調(diào)整，最后使得各個區(qū)都處在region2。核心所在：我忽略了經(jīng)過M10和M9的電流應(yīng)該是差不多的，因此，經(jīng)過M13的電流也應(yīng)該約為左邊M7、M8的兩倍，我的問題就在沒有細致地分析電路，對電路中的電路關(guān)系和電路元件設(shè)置缺乏清晰的對應(yīng)關(guān)系。此處節(jié)點設(shè)為T3此處節(jié)點設(shè)為T1此處節(jié)點設(shè)為T3此處節(jié)點設(shè)為T1此處節(jié)點設(shè)為T2，這是振蕩電路的輸出節(jié)點振蕩器電路示意圖振蕩器的輸出電壓問題：調(diào)好T觸發(fā)器之后，我發(fā)現(xiàn)自己振蕩器的輸出電壓，也就是要供給T觸發(fā)器的輸入電壓太小，才200mv，根本無