模擬集成電路課程設(shè)計學(xué)習(xí)資料

模擬集成電路課程設(shè)計精品資料模擬集成電路課程設(shè)計CMOS兩級運放設(shè)計一、 摘要本課程設(shè)計要求完成一個兩級運放的設(shè)計，采用設(shè)計工藝為 CMOS的0.35um工藝技術(shù)，該工藝下器件可以等效為長溝道器件，在分析計算時可采用一級模型進(jìn)行計算。本次設(shè)計主要了對于共模輸入電壓等指標(biāo)提出了要求，詳見下表。在正文中將就如何滿足這些指標(biāo)進(jìn)行分析與討論，并將計算結(jié)果利用cadence進(jìn)行仿真，得出在 0.35um工藝電路的工作情況。二、 電路分析課程設(shè)計的電路圖如下：僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 謝謝2精品資料輸入級（第一級）放大電路由 M1-M5組成，其中M1與M2為NMOS差分輸入對管，M3與M4為PMOS有源負(fù)載，M5為第一級提供恒定的偏置電流。輸出級（第二級）放大電路由 M6、M7以及跨接在M6柵漏兩端（即第二級電路輸入與輸出兩端）的電容 Cc組成，其中PMOS管M6為共源極接法，用于實現(xiàn)信號的放大，而 M7與M5功能相同，為第二級提供恒定的偏置電流，同時M7還作為第二級的輸出負(fù)載。 Cc將用于實現(xiàn)第二級電路的密勒補償，改變Cc的值可以用于實現(xiàn)電路中主極點與非主極點分離等功能。偏置電路由恒流源IB和以二極管形式連接的M8組成，其中M8與M5，M7形成電流鏡，M5和M7為相應(yīng)電路提供電流的大小由其與 M8的寬長比的比值來決定。三、 設(shè)計指標(biāo)本模塊將根據(jù)設(shè)計要求的指標(biāo)逐一進(jìn)行分析：開環(huán)直流增益：考慮直流增益時忽略所有電容的影響，畫小信號圖如下：Gm1*Vin ro2,4 Vds1 Gm6*Vds1 ro6,7 Vout由小信號圖可以得到電路中的直流增益為：式中 ， ，考慮到差分輸入對管的一致性，故，從而 ，故上述表達(dá)式中用 代為表示。同時，考慮到下式：以及表達(dá)式：僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 謝謝3精品資料從而可以將直流增益表達(dá)式表述為：同時可以將 用 替換，可以得出增益的大小在設(shè)計時只與 MOS管的過驅(qū)動電壓和溝道長度有關(guān)，當(dāng)過驅(qū)動電壓確定時（一般選取 0.2V），則需要通過增加溝道長度 L來提高增益。由于對于0.35um的工藝庫并不熟悉，可以通過對單管進(jìn)行 dc仿真，得到所需的厄利電壓等參數(shù)，但在實際應(yīng)用中并不需要，主要做法是根據(jù)計算得到的電路偏置電流，通過確定的過驅(qū)動電壓進(jìn)行單管仿真得到合適寬長比的工作在飽和區(qū)的MOS管。單位增益帶寬（GBW）：分析GBW時需要考慮電路在高頻條件下的工作情況，小信號圖如下：CcCGm1*Vro2,4Vds1ro6,7Gm6*Vds1VoutinCn1L（為、以及之和，同理）上圖中忽略了M3點產(chǎn)生的極點，原因有兩個：1.M3點產(chǎn)生的極點大小為，約等于 ，在GBW之外；2.由于小信號電流經(jīng)過 M1再經(jīng)過M3，M4電流鏡與直接經(jīng)過 M2到達(dá)輸出的電流兩者之間為相加形式，即產(chǎn)生了一個前饋通路，從而將引入一個零點，又由于兩條通路的放大倍數(shù)一僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 謝謝4精品資料致，從而引入的零點為極點的兩倍。引入的零點將對極點進(jìn)行補償，進(jìn)一步削弱了極點對增益以及相位裕度的影響，從而對于 M3點的極點可以忽略。對于上圖中的情況進(jìn)行分析可得到有極點：同時還存在一個零點為：由于 ，所以主極點為 ，從而得到同時考慮到相位裕度的要求，由于負(fù)極點以及正零點均會是相位惡化，對于雙極點系統(tǒng)，通常要求：（對于本課程設(shè)計考慮到有正零點介入，將在電路設(shè)計中具體分析。）所以對于零點越遠(yuǎn)，其與 GBW的關(guān)系基本由 和 的比值決定， 越大越好；對于非主極點，從表達(dá)式中可以看出 Cc越大，GBW越?。?越小）， 越大，可視為實現(xiàn)了兩個極點的分離。可以近似認(rèn)為需要滿足以下要求：當(dāng) 時，所以對于給定設(shè)計要求 GBW，可以確定Cc然后通過調(diào)節(jié) 和 的比值來實現(xiàn)GBW和相位裕度。僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 謝謝5精品資料相位裕度（PM）：指標(biāo)設(shè)計要求如上所述?？梢圆捎孟率竭M(jìn)行設(shè)計時的估算：其中為M3處的零極點對引入的相位裕度的變化，可以近似為 （該數(shù)據(jù)參看Sansen書，《模擬集成電路設(shè)計精粹》）。轉(zhuǎn)換速率（SR）：對于本課程設(shè)計中的轉(zhuǎn)換速率可以分兩部分來討論，一部分是對于Cc進(jìn)行充放電的內(nèi)部轉(zhuǎn)換速率，另一部分則是對于 進(jìn)行充放電的外部轉(zhuǎn)換速率。如左圖所示對于一個大的負(fù)輸入階躍信號，則 M2截止，電流全部從M1、M3流過，M4由于電流鏡作用也會產(chǎn)生相同大小的電流，這部分電流將從 Cc流過，在Cc上產(chǎn)生一個電壓梯度，斜率為 ，若M7在變化過程中能夠提供足夠的電流給 M6，則 保持不變，從而輸出節(jié)點成如上述梯度下降。對于大的正輸入階躍信號，同理。所以對于內(nèi)部 Cc充放電的內(nèi)部SR的表達(dá)式可以表示為：同理對于 的充放電得到的外部轉(zhuǎn)換速率進(jìn)行分析，主要考慮對于 的放電過程，因為放電過程中 M6有大的過驅(qū)動電壓可以實現(xiàn)快速充電。放電時，對應(yīng)的為一個大的負(fù)輸入階躍信號的情況，由于 受偏置電流及相互間的寬長僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 謝謝6精品資料比控制，可視為恒定值，同時也需要占用一部分，所以能夠提供給大小為，所以對于外部節(jié)點的轉(zhuǎn)換速率大小為：

的電流而整個電路的SR大小為： 。靜態(tài)電流：本次課程設(shè)計中的靜態(tài)電流總和可以表示為：根據(jù)仿真結(jié)果對電流進(jìn)行累加可以得到 ，從而四、 電路設(shè)計根據(jù)以上對于設(shè)計指標(biāo)的理論分析，結(jié)合本次課程的實際設(shè)計要求，對電路進(jìn)行如下設(shè)計：預(yù)先設(shè)計所有MOS管過驅(qū)動電壓為 0.2V，以確保MOS管都能工作在飽和區(qū)。設(shè)計 ，這樣實現(xiàn)了極點分離要求 大而GBW的設(shè)計要求小的折中選擇。1. 根據(jù)GBW的表達(dá)式：GBW>30MHz從上式可以計算的 ，即根據(jù)相位裕度的要求：PM>60為實現(xiàn)相位裕度的要求，用下式進(jìn)行估算：由于 ，所以p2= ，要求p2 3GBW（當(dāng)p2=3GBW時，PM=60.2），即非主極點在 3GBW之外，零點在 9倍GBW之外能夠?qū)崿F(xiàn)。則可以得到下式：僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 謝謝7精品資料即對于相同的 ，則可以得到：根據(jù)SR的表達(dá)式：SR>30V/us根據(jù)前兩個分析得到的結(jié)果：所以得到：進(jìn)一步計算得到： ；將該結(jié)果與GBW分析中得到的結(jié)果進(jìn)行比較可以得到，同時滿足 SR與GBW要求：直流增益的實現(xiàn)：Av>60dB同時利用 ，可以得到:僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 謝謝8精品資料從上式可以得到 至于溝道長度 L和過驅(qū)動電壓有關(guān)，在過驅(qū)動電壓設(shè)置為0.2V的情況下，為實現(xiàn)大的直流增益，需要增大溝道長度 L，故統(tǒng)一選取MOS管溝道長度L=3Lmin=1um，采用此溝道長度來進(jìn)行設(shè)計。寬長比數(shù)據(jù)設(shè)定：由于對于工藝庫沒有了解，不清楚 uCox等參數(shù)的數(shù)據(jù)，所以采用仿真的的方法設(shè)計出在確定偏置電流和過驅(qū)動電壓下合適的 MOS管寬長比。出于留足余量的考慮，同時由于功耗要求相對寬裕，設(shè)計時取， 。設(shè)計寬長比參數(shù)如下：五、 Cadence仿真Av圖，零極點圖，電路圖，六、 結(jié)論與討論本次課程設(shè)計結(jié)合我本人所上的 ASIC實驗的課程設(shè)計利用 Cadence設(shè)計完成，對于自己完成的設(shè)計總體來說數(shù)據(jù)均已達(dá)標(biāo)。但我認(rèn)為依然可以從如下角度進(jìn)行改進(jìn)：分別就低功耗和高速兩個角度進(jìn)行設(shè)計，由于此次設(shè)計過程中對于各項參數(shù)都留了很寬裕的空間（特別是相位裕度，在初期設(shè)計時感覺比較難滿足），所以造成了M6，M7 兩管的過大，雖然如此提供了相對好的相位裕度，功耗上的損失卻很大。故從低功耗的角度可以減小 M6，M7的尺寸，使其恰好工作在設(shè)計指標(biāo)的范圍內(nèi)。而對于高速角度，可以增大 M1，M2等第一級 MOS管的尺寸同時第二級M6，M7適當(dāng)減小，這樣第一級的電流增加可以有效的提高 SR。2. 對于MOS管溝道長度的設(shè)計，在本次設(shè)計中直接將 L全部定義在了 1um，但是 L的選擇從一定程度上影響了電路最后的面積，同時對于 1/f 噪聲等也一會造成影響，所以是