北郵 模擬CMOS集成電路實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、模擬CMOS集成電路實(shí)驗(yàn)報(bào)告 專業(yè)： 班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 實(shí)驗(yàn)一:共源級(jí)放大器性能分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握synopsys軟件啟動(dòng)和電路原理圖（schematic）設(shè)計(jì)輸入方法；2、掌握使用synopsys電路仿真軟件custom designer對(duì)原理圖進(jìn)行電路特性仿真；3、輸入共源級(jí)放大器電路并對(duì)其進(jìn)行DC、AC分析，繪制曲線；4、深入理解共源級(jí)放大器的工作原理以及mos管參數(shù)的改變對(duì)放大器性能的影響二、實(shí)驗(yàn)要求1、啟動(dòng)synopsys，建立庫(kù)及Cellview文件。2、輸入共源級(jí)放大器電路圖。3、設(shè)置仿真環(huán)境。4、仿真并查看仿真結(jié)果，繪制曲線。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1、原理圖2、幅頻特性曲線3

2、、相頻特性曲線四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析器件參數(shù)： NMOS管的寬長(zhǎng)比為10，柵源之間所接電容1pF，Rd=10K。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：輸入交流電源電壓為1V，所得增益為12dB。由仿真結(jié)果有：gm=496u，R=10k，所以增益Av=496*10/1000=4.96=13.91 dB可見(jiàn)，實(shí)際增益大于理論增益。補(bǔ)充：電阻改為1k后實(shí)驗(yàn)二:差分放大器設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握差分放大器的設(shè)計(jì)方法；2.掌握差分放大器的調(diào)試與性能指標(biāo)的測(cè)試方法。二、實(shí)驗(yàn)要求1.確定放大電路；2.確定靜態(tài)工作點(diǎn)Q；3.確定電路其他參數(shù)。4.電壓放大倍數(shù)大于20dB，盡量增大GBW，設(shè)計(jì)差分放大器；5.對(duì)所設(shè)計(jì)電路調(diào)試；6.對(duì)電路性能指標(biāo)

3、進(jìn)行測(cè)試仿真，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算和誤差分析。三、實(shí)驗(yàn)原理平衡態(tài)下的小信號(hào)差動(dòng)電壓增益AV為：b1= 2= =nCOX(W/L)四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表中數(shù)據(jù)單位dB) ，R單位：kW/LR 510203020K14.3dB15.6dB16.8dB17.3dB30K16.8dB19dB20.2dB20.8dB40K20.1dB20.9dB21.7dB22.4dB改變W/L和柵極電阻，可以看到，R一定時(shí)，隨著W/L增加，增益增加，W/L一定時(shí)，隨著R的增加，增益也增加。但從仿真特性曲線我們可以知道，這會(huì)限制帶寬的特性，W/L增大時(shí)，帶寬會(huì)下降。為保證帶寬， 選取W/L=5，R=40K的情況下的數(shù)值，帶寬

4、約為1.18G，可以符合系統(tǒng)的功能特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下圖。1.電路圖2.幅頻特性曲線五、思考題根據(jù)計(jì)算公式，為什么不能直接增大R實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的增大？答： 若直接增加Rd，則Vd會(huì)增加，增加過(guò)程中會(huì)限制最大電壓擺幅；如果VDDVd=VinVTH，那MOS管處于線性區(qū)的邊緣，此時(shí)僅允許非常小的輸出電壓擺幅。即電路不工作。此外，RD增大還會(huì)導(dǎo)致輸出結(jié)點(diǎn)的時(shí)間常數(shù)更大。實(shí)驗(yàn)三：電流源負(fù)載差分放大器設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握電流源負(fù)載差分放大器的設(shè)計(jì)方法；2.掌握差分放大器的調(diào)試與性能指標(biāo)的測(cè)試方法。二、實(shí)驗(yàn)要求1.設(shè)計(jì)差分放大器，電壓放大倍數(shù)大于30dB；2.對(duì)所涉及的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試；3.對(duì)電路性能指

5、標(biāo)進(jìn)行測(cè)試仿真，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算和誤差分析。三、實(shí)驗(yàn)原理 電流鏡負(fù)載的差分對(duì)傳統(tǒng)運(yùn)算放大器的輸入級(jí)一般都采用電流鏡負(fù)載的差分對(duì)。如上圖所示。NMOS器件M1和M2作為差分對(duì)管，P溝道器件M4，M5組成電流源負(fù)載。電流0I提供差分放大器的工作電流。如果M4和M5相匹配，那么M1電流的大小就決定了M4電流的大小。這個(gè)電流將鏡像到M5。如果VGS1=VGS2，則Ml和M2的電流相同。這樣由M5通過(guò)M2的電流將等于是IOUT為零時(shí)M2所需要的電流。如果VGS1VGS2，由于I0=ID1+ID2，ID1相對(duì)ID2要增加。ID1的增加意味著ID4和ID5也增大。但是，當(dāng)VGS1變的比VGS2大時(shí)，ID

6、2應(yīng)小。因此要使電路平衡，IOUT必須為正。輸出電流IOUT等于差分對(duì)管的差值，其最大值為I0。這樣就使差分放大器的差分輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端輸出信號(hào)。反之如果VGS1=5倍的特征尺寸。綜上所述，版圖設(shè)計(jì)中取3、2、6 驗(yàn)證直流工作點(diǎn)1. MNB：二極管連接確保它工作于飽和區(qū)。2. MN3：工作于臨界飽和工作區(qū)。3. MN1、MN2：當(dāng),它們工作于臨界飽和區(qū)；當(dāng)減小時(shí)，減小且增大，使它 們工作在過(guò)飽和區(qū)。4. MN4：要使MN4管工作于飽和區(qū)，則：而,顯然上式成立。即MN4工作于飽和區(qū)。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1.原理圖實(shí)驗(yàn)六：兩級(jí)運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜ぼ浖氖褂?，了解synopsys軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程。

7、掌握電流鏡的相關(guān)知識(shí)和技術(shù)，設(shè)計(jì)集成電路實(shí)現(xiàn)所給要求。二、實(shí)驗(yàn)要求單級(jí)放大器輸出對(duì)管產(chǎn)生的小信號(hào)電流直接流過(guò)輸出電阻，因此單級(jí)電路的增益被抑制在輸出對(duì)管的跨導(dǎo)與輸出阻抗的乘積。在單級(jí)放大器中，增益是與輸出擺幅相矛盾的。要想得到大的增益我們可以采用共源共柵結(jié)果來(lái)極大的提高出阻抗的值，但是共源共柵中堆疊的MOS管不可避免的減少了輸入電壓的范圍。因?yàn)槎嘁粚庸茏又辽僭黾右粋€(gè)對(duì)管子的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓。這樣在共源共柵結(jié)構(gòu)的增益與輸出電壓矛盾。為了緩解這種矛盾引入兩級(jí)運(yùn)放，在兩級(jí)運(yùn)放中將這兩個(gè)點(diǎn)在不同級(jí)實(shí)現(xiàn)。如本設(shè)計(jì)中的兩級(jí)運(yùn)放，大的增益靠第一級(jí)與第二級(jí)級(jí)聯(lián)而組成，而大的輸出電壓范圍靠第二級(jí)的共源放大器來(lái)獲得。

8、設(shè)計(jì)一個(gè)COMS兩級(jí)放大電路，滿足以下指標(biāo)：AV=5000V/V（74dB） VDD=2.5V VSS=-2.5VGB=5MHz CL=5pf SR10V/us 相位裕度=60度VOUT范圍=-2,2V ICMR=-12V Pdiss=2mW三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容確定電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：圖中有多個(gè)電流鏡結(jié)構(gòu)，M5,M8組成電流鏡，流過(guò)M1的電流與流過(guò)M2電流ID1,2=ID3,4=1/2*ID5，同時(shí)M3，M4組成電流鏡結(jié)構(gòu)，如果M3和M4管對(duì)稱，那么相同的結(jié)構(gòu)使得在x，y兩點(diǎn)的電壓在Vin的共模輸入范圍內(nèi)不隨著Vin的變化而變化，為第二極放大器提供了恒定的電壓和電流。圖1所示，Cc為引入的米勒補(bǔ)償電容。利

9、用表1、表2中的參數(shù)計(jì)算得到第一級(jí)差分放大器的電壓增益為：第二極共源放大器的電壓增益為所以二級(jí)放大器的總的電壓增益為相位裕量有要求60的相位裕量，假設(shè)RHP零點(diǎn)高于10GB以上所以 即 由于要求的相位裕量，所以可得到=2.2pF因此由補(bǔ)償電容最小值2.2pF，為了獲得足夠的相位裕量我們可以選定Cc=3pF考慮共模輸入范圍：在最大輸入情況下，考慮M1處在飽和區(qū)，有 （4）在最小輸入情況下，考慮M5處在飽和區(qū)，有 （5）而電路的一些基本指標(biāo)有 （6）GB是單位增益帶寬P1是3DB帶寬GB= （7） （8） （9）CMR: 正的CMR (10) 負(fù)的CMR (12)由電路的壓擺率得到=(3*10-1

10、2)()10*106)=30A(為了一定的裕度，我們?nèi)　?則可以得到，下面用ICMR的要求計(jì)算(W/L)311/1所以有=11/1由，GB=5MHz，我們可以得到即可以得到 用負(fù)ICMR公式計(jì)算由式（12）我們可以得到下式如果的值小于100mv，可能要求相當(dāng)大的，如果小于0，則ICMR的設(shè)計(jì)要求則可能太過(guò)苛刻，因此，我們可以減小或者增大來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，我們?yōu)榱肆粢欢ǖ挠喽任覀兊扔?1.1V為下限值進(jìn)行計(jì)算則可以得到的進(jìn)而推出即有為了得到60的相位裕量，的值近似起碼是輸入級(jí)跨導(dǎo)的10倍（allen書(shū)p.211例6.2-1），我們?cè)O(shè)，為了達(dá)到第一級(jí)電流鏡負(fù)載（M3和M4）的正確鏡像，要求，圖中x，

11、y點(diǎn)電位相同我們可以得到進(jìn)而由我們可以得到直流電流同樣由電流鏡原理，我們可以得到四、實(shí)驗(yàn)原理電路結(jié)構(gòu): 最基本的 COMS 二級(jí)密勒補(bǔ)償運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的結(jié)構(gòu)如圖所示。主要包括四部分：第一級(jí)輸入級(jí)放大電路、第二級(jí)放大電路、偏置電路和相位補(bǔ)償電路。 兩級(jí)運(yùn)放電路圖相位補(bǔ)償: 電路有至少四個(gè)極點(diǎn)和兩個(gè)零點(diǎn)，假定 z2、p3、p4 以及其它寄生極點(diǎn)都遠(yuǎn)大于 GBW，若不考慮零點(diǎn)z1，僅考慮第二極點(diǎn)p2，那么這是一個(gè)典型的兩極點(diǎn)決定的系統(tǒng)。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，通常要求有 63左右的相位裕度，即保持頻率階躍響應(yīng)的最大平坦度以及較短的時(shí)間響應(yīng)。 但在考慮 z1之后， 這個(gè)右半平面 （RHP） 的零點(diǎn)在相位域上相

12、當(dāng)于左半平面 （LHP）的極點(diǎn)，所以相位裕度會(huì)得到惡化。同時(shí)如果為了將兩個(gè)極點(diǎn)分離程度增大，則補(bǔ)償電容Cc 就要增大，這也會(huì)使得零點(diǎn)減小，進(jìn)一步犧牲相位裕度，如圖所示。 極點(diǎn)分裂與Cc變化五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1. 原理圖2. .幅頻特性曲線六、結(jié)果分析在本次設(shè)計(jì)中采用了密勒補(bǔ)償，但在包含密勒補(bǔ)償?shù)碾娐分袝?huì)產(chǎn)生一個(gè)離原點(diǎn)很近的零點(diǎn)，位于 這是由于Cc+CGD6形成從輸入到輸出的回路。這個(gè)零點(diǎn)大大降低了電路的穩(wěn)定性。本次設(shè)計(jì)中我們?cè)黾右粋€(gè)與補(bǔ)償電容串聯(lián)的電阻，從而改善零點(diǎn)的頻率，引入的電阻為RZ，零點(diǎn)的頻率可表示為 ，將此零點(diǎn)移到左半平面來(lái)消除第一非主極點(diǎn)，滿足的條件為選定合適的CL與CC，在程序中讀出g

13、m6的值，就可以計(jì)算出RZ的值。但是電阻過(guò)大會(huì)帶來(lái)更大的熱噪聲，還會(huì)使時(shí)間常數(shù)更大，而電路的GB隨CC的增大而減小，這里就涉及到電阻RZ電容CC 和gm6的折衷。經(jīng)過(guò)反復(fù)嘗試，我們找到了一組比較合適的數(shù)據(jù)，其中CC=3p ，RZ=1500k，增益比較好的達(dá)到了實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)總結(jié)及問(wèn)題解決實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題 感謝助教老師的幫助和耐心講解，讓我們?cè)诮鉀Q問(wèn)題的同時(shí)學(xué)習(xí)到了更多的知識(shí)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程我們遇到了一些問(wèn)題，總結(jié)如下：1. mos管參數(shù)名不正確：nmos4和pmos4初始名字與仿真庫(kù)不同，導(dǎo)致仿真報(bào)錯(cuò)。后經(jīng)助教老師指點(diǎn)，改為NP后解決2. 快捷鍵使用不熟練：首先，返回快捷鍵為u，一開(kāi)始不知道，導(dǎo)致步驟

14、需要重置時(shí)不太方便。此后學(xué)會(huì)了使用crtl+B以及Alt+A進(jìn)行快速仿真和采樣，大大加快了實(shí)驗(yàn)進(jìn)程3. 元件參數(shù)設(shè)置不合理：起初我們的電阻值較大，W/L較小，首先不符合實(shí)際，另一方便電路難以工作。前邊的實(shí)驗(yàn)勉強(qiáng)可以實(shí)現(xiàn)，但到后來(lái)兩級(jí)以上的電電路時(shí)，由于輸入輸出電阻的關(guān)系耦合偏差很大，后經(jīng)過(guò)同學(xué)提示，采用了合適的元件參數(shù)。實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)通過(guò)第一次實(shí)驗(yàn)，初步掌握了Synopsys軟件的設(shè)計(jì)和仿真過(guò)程，學(xué)會(huì)了基本操作解決了一些常見(jiàn)誤區(qū)和問(wèn)題。接下來(lái)的幾次試驗(yàn)都是有助教給好的原理圖，我們根據(jù)原理圖畫(huà)好電路，自行仿真得出實(shí)驗(yàn)要求的參數(shù)，并給老師驗(yàn)收。整個(gè)過(guò)程中雖然一開(kāi)始出現(xiàn)了錯(cuò)誤，后來(lái)慢慢學(xué)會(huì)了合理分配參數(shù)（基本上寬長(zhǎng)比在1001000、電阻在1100k）。最后一次實(shí)驗(yàn)需要自行設(shè)計(jì)，對(duì)我們來(lái)說(shuō)也十分有挑戰(zhàn)，自行查閱書(shū)本后不僅了解了電路的原理，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目也有了充分的認(rèn)識(shí)。另外在助教的幫助下完成了整個(gè)實(shí)驗(yàn)還是十分有成就感的！通過(guò)整個(gè)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，感到Synopsys得功能很強(qiáng)大，但有一些操作比較復(fù)雜。（Linux系統(tǒng)也不是很熟悉，命令行操作感覺(jué)很新穎）。通過(guò)這幾次COMS設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，讓我們將課堂上學(xué)習(xí)的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中，在實(shí)驗(yàn)