模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告(二級(jí)放大器的設(shè)計(jì))

模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告--------二級(jí)運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子與科學(xué)技術(shù)系一、概述：運(yùn)算放大器是一個(gè)能將兩個(gè)輸入電壓之差放大并輸出的集成電路。運(yùn)算放大器是模擬電子技術(shù)中最常見(jiàn)的電路，在某種程度上，可以把它看成一個(gè)類(lèi)似于BJT或FET的電子器件。它是許多模擬系統(tǒng)和混合信號(hào)系統(tǒng)中的重要組成部分。它的主要參數(shù)包括：開(kāi)環(huán)增益、單位增益帶寬、相位閾度、輸入阻抗、輸入偏流、失調(diào)電壓、漂移、噪聲、輸入共模與差模范圍、輸出驅(qū)動(dòng)能力、建立時(shí)間與壓擺率、CMRR、PSRR以及功耗等。二、設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)二級(jí)運(yùn)算放大器，使其滿(mǎn)足下列設(shè)計(jì)指標(biāo)：工藝Smic40nm電源電壓1.1v負(fù)載100fF電容增益20dB至少40dB3dB帶寬20MHz輸入小信號(hào)幅度5uV共模電平自己選取輸出共模電平自己選取電路結(jié)構(gòu)兩級(jí)放大器相位裕度60~70度功耗無(wú)要求三、電路分析：1.電路結(jié)構(gòu)：由于所有的管子都工作在飽和區(qū)，所以對(duì)于gm我們可以用公式gm=(6)進(jìn)行計(jì)算；而電阻ro可由下式計(jì)算ro=(7)其中λ為溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)且λ∝1/L。4.頻率特性第一級(jí)輸出節(jié)點(diǎn)到地的總電容Cout1Cout1=CGDP1+CDBP1+CGDN1+CDBN1+CGSN2（8）第二級(jí)輸出節(jié)點(diǎn)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(diǎn)（14）再看式（12）分母部分，對(duì)于形如as2+bs+1=0的方程，如果有兩個(gè)實(shí)根并相距很遠(yuǎn)，有s1=-c/b,s2=-b/a。由此得兩個(gè)實(shí)根分別為(15)(16)于是電路的主極點(diǎn)(17)而次級(jí)點(diǎn)(18)由于Cout2和C0遠(yuǎn)大于Cout1，而Cout1中主要的部分為CGSN2，Cout2中則以CL為主，經(jīng)過(guò)適當(dāng)近似可得單位增益帶寬為(19)四、設(shè)計(jì)步驟：1）原理圖繪制①根據(jù)設(shè)計(jì)好的電路圖選擇并添加需要的器件；②將各個(gè)器件擺放好位置并連線(xiàn)；③根據(jù)設(shè)計(jì)要求將VDD設(shè)置成1.1V，CL設(shè)置成100fF，輸入交流信號(hào)5uV，1MHz；④初始設(shè)置所有管子的寬長(zhǎng)比為50u/200n,輸入直流偏置300mV；參數(shù)調(diào)節(jié)第一級(jí)：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(shè)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(shè)置L=600n,此時(shí)可通過(guò)仿真查看直流工作點(diǎn)，觀察到PM2漏極電壓超過(guò)1V，工作在線(xiàn)性區(qū)，增大PM2、PM0、PM1、NM0、NM1的寬長(zhǎng)比，使得PM2工作在飽和區(qū)。調(diào)節(jié)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)到一定程度后再調(diào)節(jié)寬長(zhǎng)比影響不大但并未達(dá)到要求，調(diào)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(diào)節(jié)PM0、PM1、NM0、NM1使得第一級(jí)增益在20dB左右：第二級(jí)：①調(diào)節(jié)電阻R0和電容C0，使第二級(jí)輸出的3dB帶寬大于20MHz；同時(shí)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(shè)成600n并增大其寬長(zhǎng)比，同時(shí)減小NM2的寬長(zhǎng)比可提高增益，調(diào)節(jié)使增益帶寬都滿(mǎn)足條件；PM2PM3PM0PM1NM0NM1NM2250u/600n150u/600n150u/100n150u/100n75u/100n75u/100n75u/100nR0=250ΩC0=300fF;V0=450mV;V2=200mV;對(duì)照原理圖如下：仿真設(shè)置好仿真參數(shù)如下：進(jìn)行仿真仿真結(jié)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(jì)算結(jié)果為-117.5+180=62.5度，符合設(shè)計(jì)要求；3）瞬態(tài)響應(yīng)：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(jí)增益：可以看出第一級(jí)增益在17dB左右。直流工作點(diǎn)：可見(jiàn)各個(gè)管子都正常工作。綜上：從仿真結(jié)果來(lái)看，二級(jí)運(yùn)放設(shè)計(jì)成功。實(shí)驗(yàn)心得和小結(jié)本次實(shí)驗(yàn)最大的收獲就是對(duì)cadence這個(gè)軟件的操作有了更為熟悉的了解，學(xué)會(huì)了怎樣利用這款軟件去仿真并計(jì)算其帶寬、增益、相位裕量等。除此之外實(shí)驗(yàn)過(guò)程中與同學(xué)和師兄的交流讓我對(duì)二級(jí)米勒運(yùn)算放大器有了更加深刻的認(rèn)識(shí)。總的來(lái)說(shuō)，這次課程設(shè)計(jì)很有意義。思考題1、兩級(jí)放大器中電阻R的作用？取多大比較合適？答：電阻R可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)移函數(shù)的零點(diǎn)位置，進(jìn)行零極點(diǎn)補(bǔ)償，調(diào)節(jié)R可以調(diào)節(jié)帶寬和相位裕量；R不宜過(guò)大也不宜過(guò)小，取百歐量級(jí)比較合適。兩級(jí)放大器中米勒電容C的作用？取多大比較合適？答：米勒電容C0用于相位補(bǔ)償，調(diào)節(jié)C0可以顯著影響相位裕量；實(shí)驗(yàn)中C0取不超過(guò)500fF，不低于100fF。