cmos模擬集成電路設(shè)計_實驗報告

1、北 京 郵 電 大 學(xué)實 驗 報 告實驗題目： cmos模擬集成電路實驗 姓 名： 何明樞 班 級： 2013211207 班內(nèi)序號： 19 學(xué) 號： 2013211007 指導(dǎo)老師： 韓可 日 期： 2016 年 1 月 16 日 星期六北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院2013211207班何明樞 CMOS模擬集成電路與設(shè)計實驗報告目錄實驗一:共源級放大器性能分析1一、實驗?zāi)康?二、實驗內(nèi)容1三、實驗結(jié)果1四、實驗結(jié)果分析3實驗二:差分放大器設(shè)計4一、實驗?zāi)康?二、實驗要求4三、實驗原理4四、實驗結(jié)果5五、思考題6實驗三：電流源負(fù)載差分放大器設(shè)計7一、實驗?zāi)康?二、實驗內(nèi)容7三、差分放大器的設(shè)計方法

2、7四、實驗原理7五、實驗結(jié)果9六、實驗分析10實驗五：共源共柵電流鏡設(shè)計11一、實驗?zāi)康?1二、實驗題目及要求11三、實驗內(nèi)容11四、實驗原理11五、實驗結(jié)果15六、電路工作狀態(tài)分析15實驗六：兩級運(yùn)算放大器設(shè)計17一、實驗?zāi)康?7二、實驗要求17三、實驗內(nèi)容17四、實驗原理21五、實驗結(jié)果23六、思考題24七、實驗結(jié)果分析24實驗總結(jié)與體會26一、實驗中遇到的的問題26二、實驗體會26三、對課程的一些建議27北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院2013211207班何明樞 CMOS模擬集成電路與設(shè)計實驗報告實驗一:共源級放大器性能分析一、實驗?zāi)康?、掌握synopsys軟件啟動和電路原理圖（schema

3、tic）設(shè)計輸入方法；2、掌握使用synopsys電路仿真軟件custom designer對原理圖進(jìn)行電路特性仿真；3、輸入共源級放大器電路并對其進(jìn)行DC、AC分析，繪制曲線；4、深入理解共源級放大器的工作原理以及mos管參數(shù)的改變對放大器性能的影響二、實驗內(nèi)容1、啟動synopsys，建立庫及Cellview文件。2、輸入共源級放大器電路圖。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、實驗結(jié)果1、實驗電路圖2、幅頻特性曲線電阻為1k時電阻為10k時四、實驗結(jié)果分析1、器件參數(shù)： NMOS管的寬長比為10，柵源之間所接電容1pF，電阻Rd=10K。NMOS管的寬長比為10，柵源之

4、間所接電容1pF，電阻Rd=10K。2、實驗結(jié)果：輸入交流電源電壓為1.2V，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，實際增益大于理論增益。實驗二:差分放大器設(shè)計一、實驗?zāi)康?、掌握差分放大器的設(shè)計方法；2、掌握差分放大器的調(diào)試與性能指標(biāo)的測試方法。二、實驗要求1、確定放大電路；2、確定靜態(tài)工作點Q；3、確定電路其他參數(shù)；4、手工計算場效應(yīng)管的直流轉(zhuǎn)移特性曲線，并將特性曲線描繪在方格紙上，在曲線上確定出MOS管的飽和區(qū)，確定輸入電壓、輸出電壓的范圍；5、電壓放大倍數(shù)大于20dB，盡量增大GBW，設(shè)計差分

5、放大器；6、對所設(shè)計電路調(diào)試；7、對電路性能指標(biāo)進(jìn)行測試仿真，并對測量結(jié)果進(jìn)行驗算和誤差分析。三、實驗原理平衡態(tài)下的小信號差動電壓增益AV為： 1= 2= =nCOX(W/L)四、實驗結(jié)果1、電路圖2、幅頻特性曲線3、MOS管寬長比和電阻大小變化對應(yīng)的放大倍數(shù)放大倍數(shù)Av/dBMOS管溝道寬長比101520304060電阻R/20k15.616.416.817.317.71830k1919.820.220.821.121.440k21.422.222.623.123.423.8改變W/L和柵極電阻，可以看到，R一定時，隨著W/L增加，增益增加，W/L一定時，隨著R的增加，增益也增加。但從仿真特

6、性曲線我們可以知道，這會限制帶寬，所以在增大溝道寬長比的時候，要注意帶寬是否滿足條件。隨著W/L增大時，帶寬會下降。為保證帶寬， 選取W/L=60，R=30k的情況下的數(shù)值，最終實現(xiàn)了帶寬約為200MHz-300MHZ，可以符合系統(tǒng)的功能特性。五、思考題根據(jù)計算公式，為什么不能直接增大R實現(xiàn)放大倍數(shù)的增大？答： 若直接增加Rd，則Vd會增加，增加過程中會限制最大電壓擺幅；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增大還會導(dǎo)致輸出結(jié)點的時間常數(shù)更大。實驗三：電流源負(fù)載差分放大器設(shè)計一、實驗?zāi)康?.掌握電流源負(fù)載差分放大器的設(shè)

7、計方法；2.掌握差分放大器的調(diào)試與性能指標(biāo)的測試方法。二、實驗內(nèi)容1.設(shè)計差分放大器，電壓放大倍數(shù)大于30dB；2.對所涉及的電路進(jìn)行設(shè)計、調(diào)試；3.對電路性能指標(biāo)進(jìn)行測試仿真，并對測量結(jié)果進(jìn)行驗算和誤差分析。三、差分放大器的設(shè)計方法1、確定放大電路（選擇場效應(yīng)管）2、手工計算場效應(yīng)管的直流轉(zhuǎn)移特性曲線，并將特性曲線描繪在方格紙上，在曲線上確定出MOS管的飽和區(qū)，確定輸入電壓、輸出電壓的范圍。3、確定靜態(tài)工作點Q。4、確定電路中的其他參數(shù)。5、調(diào)整靜態(tài)工作點：可以修改場效應(yīng)管的W。四、實驗原理 電流鏡負(fù)載的差分對傳統(tǒng)運(yùn)算放大器的輸入級一般都采用電流鏡負(fù)載的差分對。如上圖所示。NMOS器件M1和

8、M2作為差分對管，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M2的電流將等于是IOUT為零時M2所需要的電流。如果VGS1>VGS2，由于I0=ID1+ID2，ID1相對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，ID2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轉(zhuǎn)換成單端輸出

9、信號。反之如果VGS1<VGS2，將變成負(fù)。假設(shè)M1和M2差分對總工作在飽和狀態(tài)，則可推導(dǎo)出其大信號特性。描述大信號性能的相應(yīng)關(guān)系如下：式(7-1)中，VID表示差分輸入電壓。上面假設(shè)了M1 和M2 相匹配。將式(7-1)代入(7-2)中得到一個二次方程，可得出解。上圖是歸一化的M1 的漏電流與歸一化差分輸入電壓的關(guān)系曲線，也即是CMOS差分放大器的大信號轉(zhuǎn)移特性曲線。該放大器的小信號特性參數(shù)等效跨導(dǎo)從圖2可以看出，在平衡條件下，M2和M5的輸出電阻分別為：于是該放大器的電壓增益為：五、實驗結(jié)果1、電路圖2、幅頻特性曲線3、不同電路元件對電路放大參數(shù)的影響放

10、大倍數(shù)Av/dBNMOS溝道長寬比（W/L）500550600650PMOS溝道長寬比（W/L）7030.4630.6530.9131.138030.9731.2531.5031.729031.3631.6431.8832.10根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以分析出，隨著溝道長寬比的增加，電路的放大倍數(shù)會隨之增加，但是根據(jù)實驗中出現(xiàn)的問題看，其有效帶寬會隨著溝道長寬比的增加而減小，所以要和里控制長寬比，并且選擇合適的電阻方可滿足設(shè)計的要求。六、實驗分析本次實驗是在實驗二的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改調(diào)試的，電壓理論增益為33.3dB，電壓的理論增益公式為電源電壓的設(shè)計需要合適的范圍，既不能太小，也不能太大。過小會使得場效應(yīng)

11、管不能進(jìn)入到飽和區(qū)，過大會使得此放大器的輸出擺幅過小，我們的電路設(shè)計中選擇電源電壓為5V，可以滿足實驗要求。實驗五：共源共柵電流鏡設(shè)計一、實驗?zāi)康氖煜ぼ浖褂?，了解Cadence軟件的設(shè)計過程。掌握電流鏡的相關(guān)知識和技術(shù)，設(shè)計集成電路實現(xiàn)所給要求。二、實驗題目及要求1、實驗設(shè)計題目低輸出電壓高輸出電阻的電流鏡設(shè)計。包括基本共源共柵電流鏡設(shè)計和低壓共源共柵電流鏡設(shè)計。2、實驗設(shè)計要求：1、電流比 1:1；2、輸出電壓最小值0.5V；3、輸出電流變化范圍5100UA三、實驗內(nèi)容共源共柵電流鏡基本參數(shù)確定四、實驗原理其中：每個MOSFET的襯底都接地，（W/L）1=（W/L）2；（W、L）3=(W/

12、L)4通過大信號直流工作點分析和小信號等效電路分析，可以知道該電路的特點如下：（1）小信號輸入電阻低（1/gm1）（2）輸入端工作電壓低（3）小信號輸出電阻高（4）輸出端最小工作電壓低 1、設(shè)計變量初始估算（1） 確定(W/L)1、（W/L）2為了計算設(shè)計變量，我們有必要了解電路MOSFET的工作狀態(tài)，為了使輸出端最小工作電壓小于0.5V, 令：MN3管工作于臨界飽和區(qū)（即：=0.5V），而MN1、MN2管隨著輸入電流從5UA變到100UA的過程中先工作在過飽和區(qū)最終工作在臨界飽和區(qū)，同時令：當(dāng)MN1、MN2工作在臨界飽和區(qū)時。為了使MN1、MN2工作在飽和區(qū)，則必須：(以MN2為例計算),為

13、了后面HSPICE仿真時能夠深刻地體會到調(diào)整W/L的必要性,這里?。?W/L)1=(W/L)2=27。（2） 確定(W/L)3、（W/L）4從MN3管的角度來考慮問題，當(dāng)100UA時，為了使MN2管工作在臨界飽和區(qū)，的電壓降不可以過大，即：又MN3管工作于臨界飽和區(qū)，則：為了后面HSPICE仿真時能夠深刻地體會到調(diào)整W/L的必要性,這里就?。?W/L)3=(W/L)4=27。（3）確定(W/L)B為了節(jié)省面積，和設(shè)計的方便，取(W/L)B=1（4）確定IB在確定IB前要先計算,根據(jù)襯偏效應(yīng)可以得到:因為MN3工作在臨界飽和區(qū)，所以：又MNB管工作于MOS二極管狀態(tài)：（5）確定溝道長度L對溝道長

14、度的約束有：1一定的下，要使較大，則要取較小的值，即L要取較大的值。2短溝效應(yīng)，要求L取較大的值。3溝道調(diào)制效應(yīng)，要求L取較大的值。4匹配性，要求L取較大的值。5可生產(chǎn)性，要求L取較規(guī)整的值。6寄生性，要求L取較小的值。7最小的版圖面積，要求L取的較小的值。8工業(yè)界的經(jīng)驗要求：L>=5倍的特征尺寸。綜上所述，版圖設(shè)計中取2、 驗證直流工作點MNB：二極管連接確保它工作于飽和區(qū)。MN3：工作于臨界飽和工作區(qū)。MN1、MN2：當(dāng),它們工作于臨界飽和區(qū)；當(dāng)減小時，減小且增大，使它 們工作在過飽和區(qū)。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)。五、實驗結(jié)果1、電

15、路圖六、電路工作狀態(tài)分析從圖中可以看出MOS管的工作參數(shù)分別為MOS1MOS2MOS3MOS4Id0.829422m0.831468m0.834463m0.834463mVgs0.568761v0.5421750.553177v0.553177vVds0.225451v2.90201v0.354312v0.354312v從數(shù)據(jù)中可以看出MOS管1/3/4分別工作在臨界飽和狀態(tài)，2工作在飽和狀態(tài)，滿足實驗的要求。實驗六：兩級運(yùn)算放大器設(shè)計一、實驗?zāi)康氖煜ぼ浖氖褂?，了解synopsys軟件的設(shè)計過程。掌握電流鏡的相關(guān)知識和技術(shù)，設(shè)計集成電路實現(xiàn)所給要求。二、實驗要求 單級放大器輸出對管產(chǎn)生的小信

16、號電流直接流過輸出電阻，因此單級電路的增益被抑制在輸出對管的跨導(dǎo)與輸出阻抗的乘積。在單級放大器中，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。因為多一層管子至少增加一個對管子的過驅(qū)動電壓。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運(yùn)放，在兩級運(yùn)放中將這兩個點在不同級實現(xiàn)。如本設(shè)計中的兩級運(yùn)放，大的增益靠第一級與第二級級聯(lián)而組成，而大的輸出電壓范圍靠第二級的共源放大器來獲得。設(shè)計一個COMS兩級放大電路，滿足以下指標(biāo)：AV=5000V/V（74dB） VDD=2.5V

17、VSS=-2.5VGB=5MHz CL=5pf SR>10V/us 相位裕度=60度VOUT范圍=-2,2V ICMR=-12V Pdiss<=2mW三、實驗內(nèi)容確定電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)： 圖中有多個電流鏡結(jié)構(gòu)，M5,M8組成電流鏡，流過M1的電流與流過M2電流ID1,2=ID3,4=1/2*ID5，同時M3，M4組成電流鏡結(jié)構(gòu)，如果M3和M4管對稱，那么相同的結(jié)構(gòu)使得在x，y兩點的電壓在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。利用表1、表2中的參數(shù)計算得到第一級差分放大器的電壓增益為：第二極共源放大器的電

18、壓增益為所以二級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） （7）GB是單位增益帶寬P1是3DB帶寬GB= （8） （9）CMR: 正的CMR (10) 負(fù)的CMR (12)由電路的壓擺率得到=(3*10-12)()10*106)=30A(為了一定的裕度，我們?nèi)　?則可以得

19、到，下面用ICMR的要求計算(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)計要求則可能太過苛刻，因此，我們可以減小或者增大來解決這個問題，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跨導(dǎo)的10倍（allen書p.211例6.2-1），我們設(shè)，為了達(dá)到第一級電流鏡負(fù)載（M3和M4）的正確鏡像，要求，圖中x，y點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

20、由電流鏡原理，我們可以得到四、實驗原理電路結(jié)構(gòu):最基本的 COMS 二級密勒補(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：第一級輸入級放大電路、第二級放大電路、偏置電路和相位補(bǔ)償電路。 兩級運(yùn)放電路圖相位補(bǔ)償: 電路有至少四個極點和兩個零點，假定 z2、p3、p4 以及其它寄生極點都遠(yuǎn)大于 GBW，若不考慮零點z1，僅考慮第二極點p2，那么這是一個典型的兩極點決定的系統(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間響應(yīng)。 但在考慮 z1之后， 這個右半平面 （RHP） 的零點在相位域上相當(dāng)于左半平面 （LHP）的極點，所以相位裕度

21、會得到惡化。同時如果為了將兩個極點分離程度增大，則補(bǔ)償電容Cc 就要增大，這也會使得零點減小，進(jìn)一步犧牲相位裕度，如圖所示。 極點分裂與Cc變化五、實驗結(jié)果1、電路圖2、幅頻特性曲線3、靜態(tài)工作點 六、思考題分析此類電流鏡優(yōu)點，并說明原因。答：1.獲得了較高的精度：在本電路中，由于電路結(jié)構(gòu)特點，下方兩nmos管（圖中1,2）的漏端注入電壓相等，由此，Iout是Iin的精確復(fù)制，即使上方兩mos管（圖中0,3）的輸入電壓發(fā)生變化，對1,2而言，變化量近似相等，因此IoutIin。即通過共源共柵級屏蔽了輸出電壓變化的影響。以降低輸出擺幅為代價，提高了輸出電阻：各管子均處于飽和或臨界飽和的狀態(tài)。七、

22、實驗結(jié)果分析在本次設(shè)計中采用了密勒補(bǔ)償，但在包含密勒補(bǔ)償?shù)碾娐分袝a(chǎn)生一個離原點很近的零點，位于 這是由于Cc+CGD6形成從輸入到輸出的回路。這個零點大大降低了電路的穩(wěn)定性。本次設(shè)計中我們增加一個與補(bǔ)償電容串聯(lián)的電阻，從而改善零點的頻率，引入的電阻為RZ，零點的頻率可表示為 ，將此零點移到左半平面來消除第一非主極點，滿足的條件為選定合適的CL與CC，在程序中讀出gm6的值，就可以計算出RZ的值。但是電阻過大會帶來更大的熱噪聲，還會使時間常數(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=60k，GB和電路的穩(wěn)定性均比較好的達(dá)到了要求。實驗總結(jié)與體會一、實驗中遇到的的問題1、創(chuàng)建目錄命令輸入問題打開終端窗口創(chuàng)建目錄的時候，創(chuàng)建目錄的第三行有三個空格，第三個空格在*和.中間，所以第一次創(chuàng)建的時候忽略了，沒有認(rèn)真閱讀講義，在閱讀講義以后發(fā)現(xiàn)了這個問題并解決；2、MOS管設(shè)置時的名稱問題NMOS和PMOS管在設(shè)置時不能使用默認(rèn)的NMOS和PMOS，要換成對應(yīng)的N和P在仿真的時候才不會報錯；3.繪制幅頻特性曲線問題在繪制幅頻特性曲線時，設(shè)置輸入和輸出端口的時候總是設(shè)置不正確，輸出