模擬CMOS集成電路設計課程設計實驗報告(二級放大器的設計)

模擬CMOS集成電路設計課程設計報告--------二級運算放大器的設計信息科學技術學院電子與科學技術系一、概述：運算放大器是一個能將兩個輸入電壓之差放大并輸出的集成電路。運算放大器是模擬電子技術中最常見的電路，在某種程度上，可以把它看成一個類似于BJT或FET的電子器件。它是許多模擬系統(tǒng)和混合信號系統(tǒng)中的重要組成局部。它的主要參數(shù)包括：開環(huán)增益、單位增益帶寬、相位閾度、輸入阻抗、輸入偏流、失調電壓、漂移、噪聲、輸入共模與差模范圍、輸出驅動能力、建立時間與壓擺率、CMRR、PSRR以及功耗等。二、設計任務：設計一個二級運算放大器，使其滿足以下設計指標：工藝Smic40nm電源電壓1.1v負載100fF電容增益20dB至少40dB3dB帶寬20MHz輸入小信號幅度5uV共模電平自己選取輸出共模電平自己選取電路結構兩級放大器相位裕度60~70度功耗無要求三、電路分析：1.電路結構：最根本的二級運算放大器如以下圖所示，主要包括四局部：第一級放大電路、第二級放大電路、偏置電路和相位補償電路。2.電路描述：輸入級放大電路由PM2、PM0、PM1和NM0、NM1組成。PM0和PM1構成差分輸入對，使用差分對可以有效地抑制共模信號干擾；NM0和NM1構成電流鏡作為有源負載；PM2作為恒流源為放大器第一級提供恒定的偏置電流。第二級放大電路由NM2和PM3構成。NM2為共源放大器；PM3為恒流源作負載。相位補償電路由電阻R0和電容C0構成，跨接在第二級輸入輸出之間，構成RC米勒補償。此外從電流電壓轉換角度來看，PM0和PM1為第一級差分跨導級，將差分輸入電壓轉換為差分電流。NM0和NM1為第一級負載，將差模電流恢復為差模電壓。NM2為第二級跨導級，將差分電壓信號轉換為電流，而PM3再次將電流信號轉換成電壓信號輸出。偏置電壓由V0和V2給出。3.靜態(tài)特性對第一級放大電路：構成差分對的PM0和PM1完全對稱，故有Gm1=gmp0=gmp1(1)第一級輸出電阻Rout1=rop1||ron1(2)那么第一級電壓增益A1=Gm1Rout1=gmp0,1(rop1||ron1)(3)對第二級放大電路：電壓增益A2=Gm2Rout2=-gmn2(ron2||rop3)(4)故總的直流開環(huán)電壓增益A0=A1A2=-gmp0,1gmn2(rop1||ron1)(ron2||rop3)(5)由于所有的管子都工作在飽和區(qū)，所以對于gm我們可以用公式gm=(6)進行計算；而電阻ro可由下式計算ro=(7)其中λ為溝道長度調制系數(shù)且λ∝1/L。4.頻率特性第一級輸出節(jié)點到地的總電容Cout1Cout1=CGDP1+CDBP1+CGDN1+CDBN1+CGSN2〔8〕第二級輸出節(jié)點到地的總電容Cout2Cout2=CDBN2+CDBP3+CGDP3+CL(9)列出KCL方程：〔10〕〔11〕聯(lián)立〔10〕、〔11〕消去中間變量Vi2得電路的傳遞函數(shù)為〔12〕其中a=[Cout1Cout2+C0(Cout1+Cout2)]Rout1Rout2b=Cout1Rout1+Cout2Rout2+C0(Gm2Rout1Rout2+Rout1+Rout2)(13)由式〔12〕可得零點〔14〕再看式〔12〕分母局部，對于形如as2+bs+1=0的方程，如果有兩個實根并相距很遠，有s1=-c/b,s2=-b/a。由此得兩個實根分別為(15)(16)于是電路的主極點(17)而次級點(18)由于Cout2和C0遠大于Cout1，而Cout1中主要的局部為CGSN2，Cout2中那么以CL為主，經(jīng)過適當近似可得單位增益帶寬為(19)四、設計步驟：1〕原理圖繪制①根據(jù)設計好的電路圖選擇并添加需要的器件；②將各個器件擺放好位置并連線；③根據(jù)設計要求將VDD設置成1.1V，CL設置成100fF，輸入交流信號5uV，1MHz；④初始設置所有管子的寬長比為50u/200n,輸入直流偏置300mV；參數(shù)調節(jié)第一級：①首先要保證PM2工作在飽和區(qū)，P管的閾值電壓VTHP在420mV左右要保證VSGP>VTHP，要求VDD-Vb>VTHP，于是需要Vb<680mV，設置直流偏置Vb=450mV；由于PM2是作為恒流源，所以其L不能太小，設置L=600n,此時可通過仿真查看直流工作點，觀察到PM2漏極電壓超過1V，工作在線性區(qū)，增大PM2、PM0、PM1、NM0、NM1的寬長比，使得PM2工作在飽和區(qū)。調節(jié)的過程中發(fā)現(xiàn)到一定程度后再調節(jié)寬長比影響不大但并未到達要求，調節(jié)輸入直流偏置至200mV，PM2工作在飽和區(qū)且流經(jīng)PM2的電流大于1mA；②調節(jié)PM0、PM1、NM0、NM1使得第一級增益在20dB左右：第二級：①調節(jié)電阻R0和電容C0，使第二級輸出的3dB帶寬大于20MHz；同時跟蹤觀察相位裕量，使其大于60度，增大電容C0可以增加相位裕量；②將PM3管L設成600n并增大其寬長比，同時減小NM2的寬長比可提高增益，調節(jié)使增益帶寬都滿足條件；PM2PM3PM0PM1NM0NM1NM2250u/600n150u/600n150u/100n150u/100n75u/100n75u/100n75u/100nR0=250ΩC0=300fF;V0=450mV;V2=200mV;對照原理圖如下：仿真設置好仿真參數(shù)如下：進行仿真仿真結果：1〕增益和帶寬：從圖上可以得出最大增益>40dB，3dB帶寬>20MHz,符合要求；2〕相位裕量：計算結果為-117.5+180=62.5度，符合設計要求；3〕瞬態(tài)響應：直流和交流仿真圖：從以上三圖也可以看出增益帶寬和相位裕度是符合要求的。第一級增益：可以看出第一級增益在17dB左右。直流工作點：可見各個管子都正常工作。綜上：從仿真結果來看，二級運放設計成功。實驗心得和小結本次實驗最大的收獲就是對cadence這個軟件的操作有了更為熟悉的了解，學會了怎樣利用這款軟件去仿真并計算其帶寬、增益、相位裕量等。除此之外實驗過程中與同學和師兄的交流讓我對二級米勒運算放大器有了更加深刻的認識?？偟膩碚f，這次課程設計很有意義。思考題1、兩級放大器中電阻R的作用？取多大比擬適宜？答：電阻R可以調節(jié)轉移函數(shù)的零點位置，進行零極點補償，調節(jié)R可以調節(jié)帶寬和相位裕量；R不宜過大也不宜過小，取百歐量級比擬適宜。兩級放大器中米勒電容C的作用？取多大比擬適宜？答：米勒電容C0用于相位補償，調節(jié)C0可以