【設(shè)計(jì)】cmos模擬集成電路設(shè)計(jì)_實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、北 京 郵 電 大 學(xué)實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告試驗(yàn)題目：cmos 模擬集成電路試驗(yàn)姓名：何明樞班級：2021211207班內(nèi)序號：19學(xué)號：2021211007指導(dǎo)老師：韓可日期：2021年 1月16日星期六目錄試驗(yàn)一 : 共源級放大器性能分析11一、試驗(yàn)?zāi)康?1二、試驗(yàn)內(nèi)容11三、試驗(yàn)結(jié)果11四、試驗(yàn)結(jié)果分析33試驗(yàn)二 : 差分放大器設(shè)計(jì)44一、試驗(yàn)?zāi)康?4二、試驗(yàn)要求44三、試驗(yàn)原理44四、試驗(yàn)結(jié)果55五、摸索題66試驗(yàn)三：電流源負(fù)載差分放大器設(shè)計(jì)77一、試驗(yàn)?zāi)康?7二、試驗(yàn)內(nèi)容77三、差分放大器的設(shè)計(jì)方法77四、試驗(yàn)原理77五、試驗(yàn)結(jié)果99六、試驗(yàn)分析1010試驗(yàn)五：共源共柵電流鏡設(shè)計(jì)1111一、

2、試驗(yàn)?zāi)康?111二、試驗(yàn)題目及要求1111三、試驗(yàn)內(nèi)容1111四、試驗(yàn)原理1111五、試驗(yàn)結(jié)果1515六、電路工作狀態(tài)分析1515試驗(yàn)六：兩級運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)1717一、試驗(yàn)?zāi)康?717二、試驗(yàn)要求1717三、試驗(yàn)內(nèi)容1717四、試驗(yàn)原理2121五、試驗(yàn)結(jié)果2323六、摸索題2424七、試驗(yàn)結(jié)果分析2424試驗(yàn)總結(jié)與體會2626一、試驗(yàn)中遇到的的問題2626二、試驗(yàn)體會2626三、對課程的一些建議2727試驗(yàn)一: 共源級放大器性能分析一、試驗(yàn)?zāi)康?、把握 synopsys軟件啟動和電路原理圖（ schematic）設(shè)計(jì)輸入方法；2、把握使用 synopsys電路仿真軟件 custom desig

3、ner 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、深化懂得共源級放大器的工作原理以及mos 管參數(shù)的轉(zhuǎn)變對放大器性能的影響二、試驗(yàn)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、試驗(yàn)結(jié)果1、試驗(yàn)電路圖2、幅頻特性曲線電阻為 1k 時(shí)電阻為 10k 時(shí)四、試驗(yàn)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，柵源之間所接電容 1pf，電阻 rd=10k；2、試驗(yàn)結(jié)果：輸入溝

4、通電源電壓為 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、91db可見，實(shí)際增益大于理論增益；一、試驗(yàn)?zāi)康脑囼?yàn)二: 差分放大器設(shè)計(jì)1、把握差分放大器的設(shè)計(jì)方法；2、把握差分放大器的調(diào)試與性能指標(biāo)的測試方法；二、試驗(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、手工運(yùn)算場效應(yīng)管的直流轉(zhuǎn)移特性曲線， 并將特性曲線描畫在方格紙上， 在曲線上確定出 mos 管的飽和區(qū)，確定輸入電壓、輸出電壓的范疇；5、電壓放大倍數(shù)大于 20db，盡量增大 gbw，設(shè)計(jì)差分放大器；6、對所設(shè)計(jì)電路調(diào)試；7、

5、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(yàn)算和誤差分析；三、試驗(yàn)原理平穩(wěn)態(tài)下的小信號差動電壓增益av為：1= 2= =ncoxw/l四、試驗(yàn)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)mos 管溝道寬長比av/db101520304060電20k15.616.416.817.317.718阻30k1919.820.220.821.121.4r/40k21.422.222.623.123.423.8轉(zhuǎn)變 w/l 和柵極電阻，可以看到， r 肯定時(shí)，隨著 w/l 增加，增益增加， w/l 肯定時(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

6、道，這會限制帶寬，所以在增大溝道寬長比的時(shí)候，要留意帶寬是否滿意條件；隨著 w/l 增大時(shí)，帶寬會下降；為保證帶寬， 選取 w/l=60，r=30k的情形下的數(shù)值， 最終實(shí)現(xiàn)了帶寬約為 200mhz-300mhz，可以符合系統(tǒng)的功能特性；五、摸索題依據(jù)運(yùn)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： 如直接增加 rd，就 vd 會增加，增加過程中會限制最大電壓擺幅； 假如 vdd vd=vinvth，那 mos 管處于線性區(qū)的邊緣，此時(shí)僅答應(yīng)特別小的輸出電壓擺幅；即電路不工作；此外，rd 增大仍會導(dǎo)致輸出結(jié)點(diǎn)的時(shí)間常數(shù)更大；試驗(yàn)三：電流源負(fù)載差分放大器設(shè)計(jì)一、試驗(yàn)?zāi)康?. 把握電流源負(fù)載

7、差分放大器的設(shè)計(jì)方法；2. 把握差分放大器的調(diào)試與性能指標(biāo)的測試方法；二、試驗(yàn)內(nèi)容1. 設(shè)計(jì)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(jì)、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(yàn)算和誤差分析；三、差分放大器的設(shè)計(jì)方法1、確定放大電路（挑選場效應(yīng)管）2、手工運(yùn)算場效應(yīng)管的直流轉(zhuǎn)移特性曲線， 并將特性曲線描畫在方格紙上， 在曲線上確定出 mos 管的飽和區(qū)，確定輸入電壓、輸出電壓的范疇；3、確定靜態(tài)工作點(diǎn) q；4、確定電路中的其他參數(shù)；5、調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)：可以修改場效應(yīng)管的w；四、試驗(yàn)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納電流鏡負(fù)載的差分對；

8、如上圖所示；nmos器件 m1 和 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 供應(yīng)差分放大器的工作電流；假如 m4 和 m5 相匹配，那么 m1 電流的大小就打算了 m4 電流的大小；這個(gè)電流將鏡像到m5；假如 vgs1=vgs，2 就 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(shí) m2 所需要的電流；假如 vgs1vgs，2 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(shí)， id2 應(yīng)小；因此要使電路平穩(wěn)， iout必需為

9、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)換成單端輸出信號；反之假如vgs1=5倍的特點(diǎn)尺寸；綜上所述，版圖設(shè)計(jì)中取l3um2、 驗(yàn)證直流工作點(diǎn)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) i in100ua ,它們工作于臨界飽和區(qū)；當(dāng)i in減小時(shí)， vgs1、2 減小且 vds1、2 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)，就：vds4vgs4vt 4vd 4vg 4vt 4vgs1voutminvt3vt 4vt 1vvoutmin而vt 10.6431v ,vout

10、min0.5v ,明顯上式成立；即 mn4 工作于飽和區(qū)；五、試驗(yàn)結(jié)果1、電路圖六、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idmos10.829422mmos20.831468mmos30.834463mmos40.834463mvgs0.568761v0.5421750.553177v0.553177vvds0.225451v2.90201v0.354312v0.354312v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)，滿意試驗(yàn)的要求；一、試驗(yàn)?zāi)康脑囼?yàn)六：兩級運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)熟識軟件的使用，明白 synopsys 軟件的設(shè)計(jì)過程；

11、把握電流鏡的相關(guān)學(xué)問和技術(shù)，設(shè)計(jì)集成電路實(shí)現(xiàn)所給要求；二、試驗(yàn)要求單級放大器輸出對管產(chǎn)生的小信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沖突的； 要想得到大的增益我們可以采納共源共柵結(jié)果來極大的提高出阻抗的值，但是共源共柵中堆疊的mos 管不行防止的削減了輸入電壓的范疇；由于多一層管子至少增加一個(gè)對管子的過驅(qū)動電壓；這樣在共源共柵結(jié)構(gòu)的增益與輸出電壓沖突； 為了緩解這種沖突引入兩級運(yùn)放， 在兩級運(yùn)放中將這兩個(gè)點(diǎn)在不同級實(shí)現(xiàn)； 如本設(shè)計(jì)中的兩級運(yùn)放， 大的增益靠第一級與其次級級聯(lián)而組成，而大的輸出電壓范疇靠其次級的共源放

12、大器來獲得；設(shè)計(jì)一個(gè) coms兩級放大電路，滿意以下指標(biāo)： av=5000v/v（ 74db） vdd=2.5vvss=-2.5vgb=5mhzcl=5pfsr10v/us相位裕度 =60 度vout范疇=-2,2vicmr=-12vpdiss=2mw三、試驗(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 m1 的電流與流過利用表 1、表 2 中的參數(shù)運(yùn)算得到第一級差分放大器的電壓增益為：其次極共源放大器的電壓增益為m2 電流 id1,2=id3,4=1/2*id5，同時(shí) m3 ，m4 組成電流鏡結(jié)構(gòu)，假如 m3 和 m4 管對稱，那么相同的結(jié)構(gòu)使得在x，y 兩點(diǎn)的

13、電壓在 vin 的共模輸入范疇內(nèi)不隨著 vin 的變化而變化，為其次極放大器供應(yīng)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；所以二級放大器的總的電壓增益為相位裕量有o1801 gb1 gb1 gbomtantantan60p1p2z1要求 60的相位裕量，假設(shè) rhp零點(diǎn)高于 10gb以上vtan1 atan1 gb tan p210.11200tan 1 gb24.30p2gm62.2 gm2 所以 p22.2gb即clccgm610 gm2 g10g由于要求60o的相位裕量，所以ccccm6m2c2.2cl0.22c可得到cl10=2.2pf因此由補(bǔ)償電容最小值2.2pf

14、，為了獲得足夠的相位裕量我們可以選定cc=3pf考慮共模輸入范疇：在最大輸入情形下，考慮 m1 處在飽和區(qū)，有vddvsg3vnvic maxvnvtn1vic maxvddvsg3vtn 1（4）在最小輸入情形下，考慮 m5 處在飽和區(qū)，有vic minvssvgs1vdsat 5vic minvssvgs1vdsat5（5）而電路的一些基本指標(biāo)有pg m11av ccpgm62cl（6） ）（7） ）zgm61ccgbgm1cccmr:gb 是單位增益帶寬p1 是 3db 帶寬gb=avp1（8） （8）（9） （9）v（最大） =vi 5v最大v 最小10in正的 cmrddt 3t 1

15、3v（最?。?=vi 5v最大v飽和12in負(fù)的 cmrsrsst 11i d 5ds 5由電路的壓擺率cc 得到i d 5=3*10-1210*106=30a為了肯定的裕度，我們?nèi)ref40a ；就可以得到，i d 1,2i d 3,4i d 5 / 220a下面用 icmr的要求運(yùn)算 w/l33w li5 k vvv23ddsg3tn143w w 11/1所以有g(shù)bl=lgm1=11/1612由cc，gb=5mhz，我們可以得到g2gm1510231094.2sn1w / lw/ lm12 /1即可以得到122k i用負(fù) icmr公式運(yùn)算vdsat 5 由式（ 12）我們可以得到下式vi

16、c minvssvgs1vdsat 5假如 vds 5的值小于 100mv，可能要求相當(dāng)大的w /l5，假如 vdsat 5 小于 0，就 icmr的設(shè)計(jì)要求就可能太過苛刻， 因此，我們可以減小i 5 或者增大w / l 5 來1解決這個(gè)問題，我們?yōu)榱肆艨隙ǖ挠喽任覀兯鉽ic min等于-1.1v 為下限值進(jìn)行計(jì)vvmin（ i 5 ）2vvdsat 5ictn1ss12就可以得到的vdsat 5 進(jìn)而推出sw/ l （2 i 5）555k vdsat 5 11/1即有 w/ l5w /l 811/1為了得到 60的相位裕量， g m6 的值近似起碼是輸入級跨導(dǎo) g m1 的 10 倍（all

17、en書 p.211 例 6.2-1），我們設(shè)gm610 g m1942s ，為了達(dá)到第一級電流鏡負(fù)載 （m3和 m4 ）的正確鏡像，要求vsg4vsg6，圖中 x， y 點(diǎn)電位相同w / lw / lgm664 /1我們可以得到64gm4進(jìn)而由gm62k pw / l6 i d 6我們可以得到直流電流gg22iim6m6113.7ad 6d 72k w / l2k s6666同樣由電流鏡原理，我們可以得到w / li d 7w / l 32 /175i d 5四、試驗(yàn)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)如下列圖； 主要包括四部分：第一級輸入級放大電路、其次級放大電

18、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(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，如不考慮零點(diǎn) z1，僅考慮其次極點(diǎn) p2，那么這是一個(gè)典型的兩極點(diǎn)打算的系統(tǒng)；為保證系統(tǒng)穩(wěn)固，通常要求有63 左右的相位裕度，即保持頻率階躍響應(yīng)的最大平整度以及較短的時(shí)間響應(yīng)；但在考慮 z1 之后， 這個(gè)右半平面 （rhp） 的零點(diǎn)在相位域上相當(dāng)于左半平面（ lhp）的極點(diǎn)，所以相位裕度會得到惡化；同時(shí)假如為了將兩個(gè)極點(diǎn)分別程度增大，就補(bǔ)償電容cc 就要增大，這也會使得零點(diǎn)減小，進(jìn)一步犧牲相位裕度，如下列圖；極點(diǎn)分裂與 cc 變化五、試驗(yàn)結(jié)果1、電路

19、圖2、幅頻特性曲線3、靜態(tài)工作點(diǎn)六、摸索題分析此類電流鏡優(yōu)點(diǎn)，并說明緣由；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(diǎn)， 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(jià)， 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、試驗(yàn)結(jié)果分析在本次設(shè)計(jì)中采納了密勒補(bǔ)償， 但在包含密勒補(bǔ)償?shù)碾娐分袝a(chǎn)生一個(gè)離原點(diǎn)很近的零點(diǎn)， 位于出的zccg m6cgd6這

20、是由于 cc+cgd6形成從輸入到輸回路；這個(gè)零點(diǎn)大大降低了電路的穩(wěn)固性；本次設(shè)計(jì)中我們增加一個(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 z點(diǎn)cc 1 /1gm6rz ，將此零移到左半平面來排除第一非主極點(diǎn)，滿意的條件為cc1 /1g m6rz g m6clcerclceccclcczgcgcm6cm6c選定合適的 cl與 cc，在程序中讀出 gm6的值，就可以運(yùn)算出 rz的值；但是電阻過大會帶來更大的熱噪聲， 仍會使時(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)過反復(fù)嘗試，我們找到了一組比較合

21、適的數(shù)據(jù)，其中 cc=3p ， rz=60k， gb和電路的穩(wěn)固性均比較好的達(dá)到了要求；試驗(yàn)總結(jié)與體會一、試驗(yàn)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(shí)候， 創(chuàng)建目錄的第三行有三個(gè)空格， 第三個(gè)空格在* 和. 中間，所以第一次創(chuàng)建的時(shí)候忽視了， 沒有仔細(xì)閱讀講義， 在閱讀講義以后發(fā)覺了這個(gè)問題并解決；2、mos管設(shè)置時(shí)的名稱問題nmos和 pmos管在設(shè)置時(shí)不能使用默認(rèn)的 nmos和 pmo，s 要換成對應(yīng)的 n和 p在仿真的時(shí)候才不會報(bào)錯(cuò)；3. 繪制幅頻特性曲線問題在繪制幅頻特性曲線時(shí)， 設(shè)置輸入和輸出端口的時(shí)候總是設(shè)置不正確， 輸出的圖形總出問題， 在助教老師的幫忙下才解決了問題， 主要仍是操作不嫻熟的問題，并且講義沒有仔細(xì)的閱讀；4. 元件參數(shù)設(shè)置問題：從電路中的電阻阻值的大小設(shè)計(jì)