模擬集成電路設(shè)計(jì)訓(xùn)練報(bào)告

模擬集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)M集成電路設(shè)計(jì)訓(xùn)練報(bào)告題目：用運(yùn)算放大器實(shí)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(jì)與集成系統(tǒng)學(xué)號：姓名：……指導(dǎo)教師：…..

目錄一、 實(shí)驗(yàn)環(huán)境 3二、 實(shí)驗(yàn)題目 3三、 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程遇到的主要障礙以及解決過程 23六、 實(shí)驗(yàn)心得 25實(shí)驗(yàn)環(huán)境本實(shí)驗(yàn)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(jì)的方方面面，包括ASIC設(shè)計(jì)、FPGA設(shè)計(jì)和PCB板設(shè)計(jì)，Cadence在仿真、電路圖設(shè)計(jì)、自動布局布線、版圖設(shè)計(jì)及驗(yàn)證等方面有著絕對的優(yōu)勢。本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)題目此題是做一個基于運(yùn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(dá)想要的工作點(diǎn)，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(diǎn)。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(jìn)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(dá)到偏置電路工作點(diǎn)，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(diǎn)。想要達(dá)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)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(shí)際應(yīng)用中組成的振蕩器電路。在實(shí)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?yàn)殡娐繁仨毺峁?80度相移，此處我僅采用了一節(jié)RC相移網(wǎng)絡(luò)電路，因?yàn)樵跍乇容^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(jì)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(dá)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(yùn)算放大器的輸入電壓。這個過程實(shí)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(shí)際上是一個零輸入響應(yīng)過程，通過計(jì)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(jì)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(yùn)放一般處于開環(huán)狀態(tài)或接入正反饋,運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)。這個電壓比較器采用的是一個運(yùn)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(rèn)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(shí)際情況實(shí)際情況輸出電壓特性圖上圖中V’在實(shí)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(diǎn)。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(yùn)用T觸發(fā)器能夠進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)設(shè)為T2，這是振蕩電路的輸出節(jié)點(diǎn)此處節(jié)點(diǎn)設(shè)為此處節(jié)點(diǎn)設(shè)為T2，這是振蕩電路的輸出節(jié)點(diǎn)此處節(jié)點(diǎn)設(shè)為T1此處節(jié)點(diǎn)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(diǎn)和T2節(jié)點(diǎn)的仿真結(jié)果三角波的高度即遲滯量的大小T2節(jié)點(diǎn)和T3節(jié)點(diǎn)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(yùn)算放大器的區(qū)域調(diào)好跑，再來調(diào)整波形的產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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?yàn)槊總€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(shí)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?yàn)殡娐分谱髡邔?fù)制的電路沒有強(qiáng)的“戒備心”，默認(rèn)為復(fù)制的就是好的。振蕩器的運(yùn)算放大器的元件參數(shù)設(shè)置問題：在斷開振蕩器，單獨(dú)調(diào)整內(nèi)部運(yùn)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(jìn)行細(xì)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(xì)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(diǎn)設(shè)為T3此處節(jié)點(diǎn)設(shè)為T1此處節(jié)點(diǎn)設(shè)為T3此處節(jié)點(diǎn)設(shè)為T1此處節(jié)點(diǎn)設(shè)為T2，這是振蕩電路的輸出節(jié)點(diǎn)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