IC課設(shè)報告范文電流源負(fù)載共源極放大器的設(shè)計

IC課設(shè)報告范文電流源負(fù)載共源極放大器的設(shè)計題號：題目：電流源負(fù)載共源極放大器的設(shè)計指導(dǎo)老師：院系：專業(yè)班級：學(xué)號：同組成員：姓名：目錄一．背景簡介1.CMOS2.Hpice二．設(shè)計目標(biāo)三．設(shè)計思路概述1.流程2.高頻分析四．具體設(shè)計步驟1.選取W/L的值2.仿真單個MOS的特性3.相關(guān)參數(shù)計算口4.小信號等效電路及增益，帶寬5.整體仿真增益和帶寬結(jié)果五．電路相關(guān)曲線仿真1.直流特性仿真2.瞬態(tài)分析仿真3.功耗分析仿真4.相位仿真曲線5.幅值仿真曲線六．理論與實際的討論1.數(shù)據(jù)2.繼續(xù)思考七．課程小結(jié)1.收獲和建議2.成員工作量一．背景簡介1.CMOS當(dāng)今世界,隨著計算機、通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展和全球經(jīng)濟一體化進程的加快,發(fā)展微電子產(chǎn)業(yè)的重要性已日益為各國政府及有識之士所接受。當(dāng)今社會進入到了一個嶄新的信息化時代，微電子技術(shù)正是信息技術(shù)的核心技術(shù)。集成電路（IntegratedCircuit,簡稱IC）就是將有源元件（二極管、晶體管等）和無源元件（電阻、電容等）以及它們的連線一起制作在半導(dǎo)體襯底上形成一個獨立的整體.集成電路的各個引出端就是該電路的輸入，輸出，電源和地。學(xué)習(xí)了解IC方面的知識已成為每一個當(dāng)代大學(xué)生的基本要求。共源極放大器是CMOS電路中的基本增益級。它是典型的反向放大器，負(fù)載可以是有源負(fù)載或者電流源。共源極放大器需要得到比有源負(fù)載放大器更大的增益。設(shè)計電流源負(fù)載共源極放大器對學(xué)習(xí)了解IC有著本質(zhì)的幫助和提高，這是理論與實踐的相結(jié)合。下圖是電流源負(fù)載共源放大器。這種結(jié)構(gòu)采用電流源負(fù)載代替PMOS二極管連接的負(fù)載。電流源是共柵結(jié)構(gòu)，采用柵極加直流電壓偏置VGG2的P溝道管實現(xiàn)。小信號性能可由模型中用gm2vout=0（考慮M2的柵極交流接地）來求得?？谛⌒盘栯妷涸鲆鏋椋喝Q于器件尺寸、電流和使用的技術(shù)，這個電路的典型增益在一10?－100的范圍內(nèi)。為了用電阻性負(fù)載得到類似的增益，必須使用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于5V的電源電壓。電阻性負(fù)載方法還會大大提高功率損耗。但是，這里應(yīng)該提到的是：對于低增益、高頻率級，（如果不需要大量硅面積）用電阻負(fù)載會更理想，因為它們一般都有較小的寄生電容。它們通常還比有源負(fù)載噪聲小。這是個有意義的結(jié)果：隨著直流電流的減小，增益上升。這是因為輸出電導(dǎo)正比于偏置電流，而跨導(dǎo)正比于偏置電流的平方根。增益隨ID減小而增加可一直保持到電流接近亞閥值工作區(qū)，即弱反型層出現(xiàn)，此時跨導(dǎo)變?yōu)檎扔谄秒娏髑倚⌒盘栯妷涸鲆娉蔀槠秒娏骱瘮?shù)的常數(shù)。如果我們假設(shè)亞閥區(qū)發(fā)生在電流近似為1hA的時候，又如果(W/L)1=(W/L)2=10,使用0.8um模型的參數(shù)值可給出圖所示的電流負(fù)載CMOS共源放大器的最大增益近似為一521V/V。圖示出了電流源負(fù)載作為直流偏置電流的函數(shù)的典型關(guān)系(假設(shè)亞區(qū)效應(yīng)發(fā)生在近似等于1hA的時候)?？谧阒笜?biāo)值。接下來按題目所給的設(shè)計步驟完成相關(guān)參數(shù)的計算，即：(1).仿真單個MOS的特性，得到某W/L下的MOS管的小信號輸出電阻和跨導(dǎo)。(2)．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)。(3)．手工推導(dǎo)上述尺寸下的共源級放大器的直流工作點、小信號增益、帶寬。(4)．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)上述計算過程。(5).一旦計算結(jié)果達到題目要求，用Hpice仿真驗證上述指標(biāo)?？?6)．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。2.高頻分析為了進行高頻分析，共源放大器的小信號等效電路如圖2所示。這里，Cg1是M1的柵極一源極電容。注意，我們已經(jīng)假設(shè)輸入源極的輸出電容可以忽略。電容C2由M1和M2的漏極一襯底電容與負(fù)載電容CL的并聯(lián)組成。CL一般占主導(dǎo)地位。口在高頻下分析電路可使用節(jié)點分析。在節(jié)點v1,我們把所有離開節(jié)點的電流相加并設(shè)置總和為零，得到其中：而且，在輸出節(jié)點有其中：。得：有趣的是，―3dB頻率下的結(jié)果與使用零值時間常數(shù)分析技術(shù)［Gray,1993］的結(jié)果相同。在這個技術(shù)中，通過假設(shè)其它所有電容器為零，計算出每個電容器的時間常數(shù)，在問題中用電壓源代替電容器，再用電壓源與從電壓源流出的電流的比來計算出那個電容器看到的電阻。電容器看到的時間常數(shù)就是電容乘以那個電容看到的電阻。整個電路一3dB的頻率為1除以單個電容時間常數(shù)的總和。對于共源放大器，Cg1看到的電阻是輸入源極阻抗Rin,Cgd1看到的電阻。在較高頻率下，當(dāng)增益不比1大很多時，第二個極點和零點必須考慮。第二個極點的頻率可通過假設(shè)極點是真實的并分隔很遠(yuǎn),則分母可以表示為四．具體設(shè)計步驟.選取W/L的值口由指標(biāo)手工倒推出來的W/L的值始終無法仿真滿足所有的指標(biāo)值，我也嘗試了任意修改W/L的值，卻始終找不到仿真后滿足增益口指標(biāo)和帶寬指標(biāo)的適當(dāng)值。無奈之下，只好記下了以下幾組較接近指標(biāo)的W/L的值(優(yōu)先保證增益為30dB)?？贜MOSW/L70u/10u80u/10u90u/10u100u/10u60u/5u90u/5u90u/3uPMOSW/L55u/10u50u/10u55u/10u60u/10u80u/10u60u/5u90u/3uIREF/A491u559u629u699u819u1.23m1.99m增益/dB30.130.330.130.030.230.430.7帶寬/hz8.45k9.12k1.02m1.21m1.37m2.12m3.15m綜合考慮增益和帶寬指標(biāo)且考慮到IREF應(yīng)盡可能小，所以選取NMOSW/L：90u/3u；PMOSW/L：90u/3u這一組數(shù)據(jù)進行設(shè)計。.仿真單個MOS的特性口先仿真NMOS(W/L=90u/3u)的特性：口網(wǎng)表：E某2.1uepicetoimulationMOSoutput口.lib\.optionpot=2numdgt=7tnom=27M12100N_33W=90UL=3UVDS20VGS101.6.DCVDS030.1.PRINTDCi(m1).END仿真曲線：口再仿真單個PMOS(W/L=90u/3u)管的特性：口5.幅值仿真曲線輸出的幅值曲線圖，未轉(zhuǎn)化為dB前的幅值曲線圖：口六．理論與實際的討論1.數(shù)據(jù)指標(biāo)的數(shù)據(jù)：指標(biāo)值理論值實際值MOS管及電流源的數(shù)據(jù)：口NMOSW=90ul=3uCMOSW=90ul=3uIREF=1.98M增益/dB303830.7帶寬/MHZ2023.152.繼續(xù)思考口本組進行了很多次理論值的計算，也進行了很多次修改參數(shù)后的仿真，不停的計算，不停的仿真，不停的修改，不停的仿真，如此循環(huán)?？墒牵诒ＷC增益達到指標(biāo)的情況下，卻始終不能滿足帶寬的要求，而且與帶寬的要求差距不小。在我組成員的不斷努力下，最終在保證增益的指標(biāo)下，帶寬調(diào)到了3.15MHZ,不知道這個結(jié)果能不能令老師滿意，但是我們真的盡力了，也無能為力了。增益與帶寬本來就是兩個相矛盾的量，相互制約著大小，調(diào)節(jié)使增益變大，帶寬就會適當(dāng)變?。徽{(diào)節(jié)使帶寬變大，增益就會適當(dāng)變小。3.15MHZ不是我們組得出的最大帶寬，繼續(xù)增大W/L,并繼續(xù)增大口電流源電流，就可以保證增益指標(biāo)的前提下，繼續(xù)增大帶寬，但是想了一下，很可能這種方法最多也就只能增大到5MHZ，已然遠(yuǎn)不及20MHZ，也沒有其他思路同時達到增益帶寬兩個指標(biāo)，而且時間有限，不能總是去不停的調(diào)參數(shù)，所以也就做到這里為止了。題目中給出的VDD為3.3V,這也是限制指標(biāo)增長的一個因素，如果可以增大VDD，那么相同參數(shù)下的增益必然將增加，這樣就可以適當(dāng)減小增益至指標(biāo)值，借此來增大帶寬，總有一個適當(dāng)大的VDD值，能使增益為30db,帶寬為20MHz同時滿足?？谄撸n程小結(jié).收獲和建議開始拿到這個題目時，我毫無頭緒，根本不知道要做些什么，最重要的是腦海中始終無法建立一個與之相關(guān)的模型，而這門課程又安排在一學(xué)期的最后時刻，正值各種考試來臨，初始實在沒有時間來思考盤算這門IC課設(shè)。長達兩個星期的考試期間這門課設(shè)就像一塊石頭一樣始終堵在我的胸口，吐不出來，也咽不下去，很是煩心。終于，考試結(jié)束了，但是也只剩下兩三天的時間來完成這門課程設(shè)計了。以前用過很多仿真軟件，這次又學(xué)會YHpice這款軟件的用法，感覺這款軟件功能十分強大，關(guān)鍵是這款軟件很專業(yè)，IC集成電路等知識的仿真離不開這款軟件，它是IC設(shè)計中最常使用的工業(yè)級電路仿真工具，用以對電子電路的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)及頻域的仿真和分析，可以精確的仿真、分析、優(yōu)化從直流到高于100GHz頻率的微波電路。口理論與實踐應(yīng)該是互相促進，互相依賴的。但是我讀書十幾年來，學(xué)的理論太多太多，進行的實踐太少太少。因此對于如何將理論運用于實踐這一環(huán)節(jié)，我可以說是嚴(yán)重脫鉤。這次課程設(shè)計就是一個將理論與實際相結(jié)合的好機會。然而，由理論算出來的值，在實踐仿真中卻完全不對頭，這一方面體現(xiàn)了個人在理論與實踐結(jié)合方面的缺陷，令一方面也說明了理論與實踐存在一定的差異性，并且有時這種差異會很大。這也提醒我們不要忽略實踐學(xué)習(xí)，學(xué)理論是為了更好的實踐，而不是忽略實踐，逃避實踐。我們必須要相信自己。剛開始，最后兩個星期，那么多考試，還有一門什么也不懂IC課設(shè)，別提心里多著急。但是一切都走過來了，甚至有幾門課都是一天復(fù)習(xí)完，感覺考得還可以吧。隨著兩個星期的逐漸了解，課程設(shè)計完成了，不論結(jié)果，至少思路是清晰的。相信自己，半個月前，看似不可能的事情，如今都已完成。很遺憾本組沒有得出符合所有指標(biāo)的結(jié)果，但這并不代表本組偷懶了，恰恰相反，本組成員都十分辛苦，剛剛考試完，并沒有放松，而是連續(xù)