COMS放大器設計教案資料

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。COMS放大器設計目錄TOCo1-3hzuHYPERLINKl_Toc282886602一、設計思路PAGEREF_Toc282886602h1HYPERLINKl_Toc282886603二、CMOS放大器設計PAGEREF_Toc282886603h2HYPERLINKl_Toc2828866042.1、任務與要求PAGEREF_Toc282886604h2HYPERLINKl_Toc2828866052.2、設計要求PAGEREF_Toc282886605h2HYPERLINKl_Toc28288

2、66062.3、對CMOS放大器的研究與計算PAGEREF_Toc282886606h2HYPERLINKl_Toc282886607三、電路設計及仿真PAGEREF_Toc282886607h6HYPERLINKl_Toc2828866083.1、直流工作點的分析PAGEREF_Toc282886608h7HYPERLINKl_Toc2828866093.2、交流信號分析PAGEREF_Toc282886609h8HYPERLINKl_Toc2828866103.3、瞬態(tài)分析PAGEREF_Toc282886610h10HYPERLINKl_Toc2828866113.4、小信號特性分析PA

3、GEREF_Toc282886611h12HYPERLINKl_Toc2828866123.5、壓擺率大信號分析PAGEREF_Toc282886612h13HYPERLINKl_Toc282886613四、課程設計心得PAGEREF_Toc282886613h14HYPERLINKl_Toc282886614五、參考文獻PAGEREF_Toc282886614h15一、設計思路日常生活中放大器的用途隨處可見，但關于用MOS管的放大器還很少，綜合所學習過的知識去設計一個CMOS放大器，本設計采用GPDK180工藝，實現增益大于40dB（即放大100倍以上），相位裕度大于60，功耗小于1mW，同

4、時用1.8V的電壓源供電。設計MOS管所采用的是PMOS和NMOS的組合管構成放大器，因為同樣的體積、同樣的摻雜濃度下，PMOS管的電阻會比NMOS管的電阻要大，所以在這兩種MOS管組成的電路中，采用NMOS作為放大管，而PMOS作為偏置負載，兩種組合管串聯起來，從組合管的中間引出放大的信號，由于放大倍數還不夠大，本設計采用NMOS管作為放大管，這只是理想中器件的選擇，接下來就是參數的計算以及對電路設計的模擬和仿真。由于采用GPDK180工藝、電源電壓1.8V的基礎上設計，所以就要在資料庫中查找并選好MOS管的參數，對于MOS管最重要的是W/L的比值，根據放大倍數以及對功耗的要求可求出W/L比

5、，根據電源電壓可求出驅動電路的電壓值。得到的寬長比可與資料里面的標準對比，取一定的長度就可以得出器件的寬度，根據所選定的器件去查找相應的MOS管柵極的氧化層參數，應注意的是在GPDK180工藝中，寬度最大不超過50nm，長度最大要180nm以上。為了得到合適的放大倍數以及較低的功耗，PMOS管和NMOS管連接起來，PMOS管的上端接電源Vdd下端接NMOS管，下端的NMOS管接地，在兩個MOS管的中間取出放大信號，給上端的PMOS管的柵極加一個適合的偏置，在NMOS管的柵極輸入，根據以上思路制作本次設計二、CMOS放大器設計2.1、任務與要求：設計CMOS放大器，要求如下：1采用GPDK180

6、工藝。2增益大于40dB,相位裕度大于60。3功耗小于10mW。4電源電壓為1.8V。2.2、設計要求：1）、根據設計指標要求，選取、確定適合的電路結構，并進行計算分析；2）、電路的仿真與分析，重點進行直流工作點、交流AC分析、瞬態(tài)Trans分析、建立時間小信號特性和壓擺率大信號分析，能熟練掌握各種分析的參數設置方法；3）、電路性能的優(yōu)化與器件參數調試，要求達到預定的技術指標。4)、整理仿真數據與曲線圖表，撰寫設計報告。5）、按照課程設計要求，采用GPDK180工藝設計，COMS放大器的模型如下：圖1CMOS放大電路模型2.3、對CMOS放大器的研究與計算設計要求：采用GPDK180工藝；放大

7、增益大于40dB，即100倍以上；相位裕度大于，功耗小于10mW;電源電壓為1.8V。1）、由公式，可得可取2）、采用GPDK工藝，用一個PMOS管與一個NMOS管接連做放大器設定NMOS、PMOS的制作長度，可知于是有放大電路的交流小信號模型如下：圖2放大器的小信號模型:令Vin=0，即3）、4）、5）、根據,在軟件庫中查到相應的NMOS和PMOS的計算參數：NMOS：L=0.360.5um，w=1.23um氧化層厚度：PMOS：L=0.360.5um，w=1.23um氧化層厚度：6）、7）、8）、電路放大時，必須保證NMOS和PMOS同時工作在飽和區(qū)，9）、設輸出電壓的最大擺幅為2V，NM

8、OS工作在飽和區(qū)，則應滿足的條件：NMOS管處在飽和區(qū)的同時PMOS也工作在飽和區(qū)，則10）、11）、三、電路設計及仿真電路的各個參數計算出來，本設計采用VMwareWorkstation虛擬機進行仿真，VMwareWorkstation是一個運行在Linux系統下版級和系統級的EDA軟件，打開虛擬機后，進入虛擬機的啟動電源界面，然后啟動虛擬機的電源，點擊進入啟動本次設計的軟件，雙擊在界面的上方的“新建終端”動作圖標，在終端輸入cdwork/gpdk180回車后，輸入icbf指令就到了icfb文件下，在界面對話框中選擇file/new/library，彈出對話框newliabrary，在名字框

9、中填入文件夾名zhang，選擇attachtoanexistingtechfile,在彈出的對話框中選擇gpdk180后，點OK回到icfb。再選擇file/new/cellview，在libraryname選擇的基礎上新建一個fangda的library名，點擊OK即可。根據以上的操作和計算，在gpdk180下設計出電路圖，并進行參數的設置，選擇PMOS管的w=50u，l=200n；選擇NMOS的w=37u,l=400n.設置后設計的初步圖設為：圖3CMOS放大設計圖3.1、直流工作點的分析畫好電路圖后要看設計的是否正確，經過多次修改后得出最好的參數設置，并在此基礎上進行了相應的仿真，接下來

10、是對所設計的電路做直流（DC）分析。因此輸入信號采用直流電壓源信號輸入，其電壓為參數的電壓2.75V。具體電路如下：圖4直流分析電路繪制好電路圖之后修改各器件的參數知道接恰當為止，修改好參數后點擊checkandsave，保存好后選擇tools/analogenvironment，進入VirtuosoAnalogDesignEnvironment模擬環(huán)境,在彈出的對話框中選擇choose，再在彈出的對話框中選擇DC分析，并在SaveDCoperatingPoint選項上選中，點擊OK回到analogenvironment;選擇運行Simulation/NetlistandRun,然后選擇Res

11、ult/Print/DCOperatingPoints進行結果的查看，在彈出界面之前點擊最右邊電源V0，就得到本次設計電路運行結果的參數。進過多次調整兩個MOS管的W/L后得到符合本設計要求所規(guī)定的參數值，電流為3.43494mA還不算小，功率為6.1829mW10mW,所得的結果如下，由結果可看出，設計電路模擬出來的電流和功率基本符合本次設計要求，圖中數據的符號代表方向。圖5直流分析結果3.2、交流信號分析在進行交流分析之前要先將NMOS輸入的信號源換成交流源，其DC分析電壓為原來的直流分析是的電壓，頻率設為1KHz，具體電路如下：圖6交流分析電路圖換好交流信號電壓源后點擊checkands

12、ave，保存好后選擇tools/analogenvironment，進入VirtuosoAnalogDesignEnvironment模擬環(huán)境,在彈出的對話框中選擇choose，再在彈出的對話框中Analysis選擇AC分析，在SweepVariabl/Frequence，在SweepRanged的Start_Stop的start里輸入1，在Stop里輸入100G；再在Sweeptype里選擇Logarihmic，并在PointsPerDecade。點擊OK回到analogenvironment;選擇運行Simulation/NetlistandRun,然后選擇Result/Directpol

13、t/MainForm，在彈出的對話框中選擇Voltage，在Modifer下選擇20dB，再在原理圖中點擊輸出線，進行結果的查看，對交流信號的仿真結果如下：圖7交流放大增益仿真由結果可看出放大增益約44dB，放大倍數符合本次設計的要求躍升頻率約為。同理在VirtuosoAnalogDesignEnvironment模擬環(huán)境中的Modifer選擇Phase的得到放大倍數和相位仿真，結果如下，從圖中可看出相位裕度絕對大于60.放大倍數大于40dB，這是調整并優(yōu)化的實驗結果，均達到設計要求圖8增益與相位仿真3.3、瞬態(tài)分析進行Trans分析，將輸入接交流源，設定參數DC值為原來直流模擬時值，調試幅度

14、為10mV，頻率為1KHz，設計電路圖如下圖9瞬態(tài)分析電路圖設置好信號電壓源后點擊checkandsave，保存好后選擇tools/analogenvironment，進入VirtuosoAnalogDesignEnvironment模擬環(huán)境,在彈出的對話框中選擇Output/ToBePoltted/selectfromSchmatic,進入SahmaticEdit窗口，點擊“in”和“out”線，選擇電壓輸出。點擊OK回到analogenvironment;選擇運行Simulation/NetlistandRun,然后選擇Result/Directpolt/MainForm，在彈出的對話框中

15、選擇Voltage，然后在電路圖上選擇“in”和“out”線，再在原理圖中點擊輸出線，進行結果的查看，對交流信號的仿真結果如下：圖10Trans分析結果由圖可知，輸入的是余弦波，輸出是與之反相的正弦波，波形沒有失真，方向為輸入的反向，因為定義了50ps延時，所以輸入輸出在時間上不精確對準，中的說來放大倍數是達到要求的。3.4、小信號特性分析建立時間小信號特性分析接入信號源信號源的電壓為2.75V，上升和下降時間為1ps，脈沖寬度為500ps，時段為1ns，換好交流信號電壓源后點擊checkandsave，保存好后選擇tools/analogenvironment，進入VirtuosoAnalo

16、gDesignEnvironment模擬環(huán)境,在彈出的對話框中選擇choose，再在彈出的對話框中Analysis選擇Trans分析，在Stoptime選項里輸入30p，點擊OK確定回到analogenvironment;選擇運行Simulation/NetlistandRun,然后選擇Result/Directpolt/MainForm，在彈出的對話框中選擇Voltage，再在原理圖中點擊輸出線（out），進行結果的查看，對交流信號的仿真結果如下：圖11Trans的小信號建立從圖可看出小信號建立的時間約為12ps3.5、壓擺率大信號分析壓擺率是指單位時間（一般用微秒）器件輸出電壓值的可改變的

17、范圍壓擺率，意思就是HYPERLINK/view/389763.htmt_blank運算放大器輸出電壓的轉換速率繪制好電路圖之后修改各器件的參數知道接恰當為止，修改好輸入信號的參數后點擊checkandsave，保存好后選擇tools/analogenvironment，進入VirtuosoAnalogDesignEnvironment模擬環(huán)境,在彈出的對話框中選擇choose，再在彈出的對話框中選擇DC分析，在SweepVariabl/ComponemtParameter，點擊SelectComponent之后或自動切換到原理圖上，選擇V1，在彈出的對話框選擇DC，壞到前面的選擇分析窗口，在

18、SweepRanged的Start_Stop的start里輸入1，在Stop里輸入4；再在Sweeptype里選擇Linear，在StepSize里填上0.01。點擊OK回到analogenvironment;選擇運行Simulation/NetlistandRun,然后選擇Result/Directpolt/MainForm，在彈出的對話框中選擇Voltage，再在原理圖中點擊輸出線，進行結果的查看，即可得到仿真的結果：圖12壓擺率大信號分析從圖中可看出，由于電壓為1.8V，其從高電平越變?yōu)榈碗娖降闹禐?.5V左右。四、課程設計心得集成電路課程設計終于完成了，一開始什么什么都不知道做，因為我

19、們沒有學到真正能用于實際的，一開接到課題，都不知道如何下手，只知道跟做老師講的去做，外加以前學的一點點，自己慢慢去做，但具體就不知道這么做了，到后來參考了他們的設計，我才有了了具體的做法，本次設計就是要找好MOS管的W/L比及其他參數，在cadence軟件里去查找了所要用的器件的參數，然后計算出來，但是實際做的時候往往要改很多不當的數據，只有仿真出來的結果才會證明計算是不是對的，很多不懂得只有自己琢磨著去做，同自己慢慢的摸索，最后還是一步一步的的把結果做出來了。對于我們電子專業(yè)還是什么工科專業(yè)，不管是硬件設計還是軟件設計，都要分模塊設計，設計思路都是自頂向下，自底向上。知識的連貫性體現于應用。我覺得學習在于發(fā)現問題，解決問題，解決問題的關鍵在于自己，而不是一味的依靠別