課程設(shè)計(jì)COMS放大器設(shè)計(jì)說明書

1、目 錄一、設(shè)計(jì)思路1二、cmos放大器設(shè)計(jì)22.1、任務(wù)與要求22.2、設(shè)計(jì)要求22.3、對cmos放大器的研究與計(jì)算2三、電路設(shè)計(jì)及仿真63.1、直流工作點(diǎn)的分析73.2、交流信號分析83.3、瞬態(tài)分析103.4、小信號特性分析123.5、壓擺率大信號分析13四、課程設(shè)計(jì)心得14五、參 考 文 獻(xiàn)15一、設(shè)計(jì)思路日常生活中放大器的用途隨處可見，但關(guān)于用mos管的放大器還很少，綜合所學(xué)習(xí)過的知識去設(shè)計(jì)一個cmos放大器，本設(shè)計(jì)采用gpdk180工藝，實(shí)現(xiàn)增益大于40db（即放大100倍以上），相位裕度大于60，功耗小于1mw，同時用1.8v的電壓源供電。設(shè)計(jì)mos管所采用的是pmos和nmos

2、的組合管構(gòu)成放大器，因?yàn)橥瑯拥捏w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(fù)載，兩種組合管串聯(lián)起來，從組合管的中間引出放大的信號，由于放大倍數(shù)還不夠大，本設(shè)計(jì)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(shù)的計(jì)算以及對電路設(shè)計(jì)的模擬和仿真。由于采用gpdk180工藝、電源電壓1.8v的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，所以就要在資料庫中查找并選好mos管的參數(shù)，對于mos管最重要的是w/l的比值，根據(jù)放大倍數(shù)以及對功耗的要求可求出w/l比，根據(jù)電源電壓可求出驅(qū)動電路的電壓值。得到的寬長比可與資料里面的標(biāo)

3、準(zhǔn)對比，取一定的長度就可以得出器件的寬度，根據(jù)所選定的器件去查找相應(yīng)的mos管柵極的氧化層參數(shù)，應(yīng)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(shù)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(jù)以上思路制作本次設(shè)計(jì)二、cmos放大器設(shè)計(jì)2.1、任務(wù)與要求：設(shè)計(jì)cmos放大器，要求如下：1采用gpdk180工藝。2增益大于40db, 相位裕度大于60。3功耗小于10mw。

4、4電源電壓為1.8v。2.2、設(shè)計(jì)要求：1）、根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，選取、確定適合的電路結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行計(jì)算分析；2）、電路的仿真與分析，重點(diǎn)進(jìn)行直流工作點(diǎn)、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(shù)設(shè)置方法；3）、電路性能的優(yōu)化與器件參數(shù)調(diào)試，要求達(dá)到預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)。4)、整理仿真數(shù)據(jù)與曲線圖表，撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。5）、按照課程設(shè)計(jì)要求，采用gpdk180工藝設(shè)計(jì)，coms放大器的模型如下：圖1 cmos放大電路模型2.3、對cmos放大器的研究與計(jì)算設(shè)計(jì)要求：采用gpdk180工藝；放大增益大于40db，即100倍以上；相位裕度大于 ，功耗小于10

5、mw;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(shè)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(jù) ,在軟件庫中查到相應(yīng)的nmos和pmos的計(jì)算參數(shù)：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(shè)輸出電壓的最大擺幅為2v，nmos工作在飽和區(qū)，則應(yīng)滿足的條件

6、：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(shè)計(jì)及仿真電路的各個參數(shù)計(jì)算出來，本設(shè)計(jì)采用vmware workstation虛擬機(jī)進(jìn)行仿真，vmware workstation是一個運(yùn)行在linux系統(tǒng)下版級和系統(tǒng)級的eda軟件，打開虛擬機(jī)后，進(jìn)入虛擬機(jī)的啟動電源界面，然后啟動虛擬機(jī)的電源，點(diǎn)擊進(jìn)入啟動本次設(shè)計(jì)的軟件，雙擊在界面的上方的“新建終端”動作圖標(biāo)，在終端輸入cd work/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new liabrary，在名字框中填入文件夾名zhang

7、，選擇attach to an existing techfile,在彈出的對話框中選擇gpdk180后，點(diǎn)ok回到icfb。再選擇file/new/cellview，在library name選擇的基礎(chǔ)上新建一個fangda的library名，點(diǎn)擊ok即可。根據(jù)以上的操作和計(jì)算，在gpdk180下設(shè)計(jì)出電路圖，并進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，選擇pmos管的w=50u，l=200n；選擇nmos的w=37u,l=400n.設(shè)置后設(shè)計(jì)的初步圖設(shè)為：圖 3 cmos放大設(shè)計(jì)圖3.1、直流工作點(diǎn)的分析畫好電路圖后要看設(shè)計(jì)的是否正確，經(jīng)過多次修改后得出最好的參數(shù)設(shè)置，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)的仿真，接下來是對所設(shè)計(jì)

8、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(shù)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(shù)知道接恰當(dāng)為止，修改好參數(shù)后點(diǎn)擊check and save，保存好后選擇tools/ analog environment，進(jìn)入virtuoso analog design environment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save dc operating point選項(xiàng)上選中，點(diǎn)擊ok回到analog environment;選擇運(yùn)行simulation/netlist and r

9、un,然后選擇result/print/dc operating points進(jìn)行結(jié)果的查看，在彈出界面之前點(diǎn)擊最右邊電源v0，就得到本次設(shè)計(jì)電路運(yùn)行結(jié)果的參數(shù)。進(jìn)過多次調(diào)整兩個mos管的w/l后得到符合本設(shè)計(jì)要求所規(guī)定的參數(shù)值，電流為3.43494ma還不算小，功率為6.1829mw10mw,所得的結(jié)果如下，由結(jié)果可看出，設(shè)計(jì)電路模擬出來的電流和功率基本符合本次設(shè)計(jì)要求，圖中數(shù)據(jù)的符號代表方向。圖5 直流分析結(jié)果3.2、交流信號分析在進(jìn)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(shè)為1khz，具體電路如下：圖6 交流分析電路圖換好交流信號電

10、壓源后點(diǎn)擊check and save，保存好后選擇tools/ analog environment，進(jìn)入virtuoso analog design environment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sweep variabl/frequence，在sweep ranged的start_stop的start里輸入1，在stop里輸入100g；再在sweep type里選擇logarihmic，并在points per decade。點(diǎn)擊ok回到analog environment;選擇運(yùn)行simulation/netlis

11、t and run,然后選擇result/direct polt/main form，在彈出的對話框中選擇voltage，在modifer下選擇20db，再在原理圖中點(diǎn)擊輸出線，進(jìn)行結(jié)果的查看，對交流信號的仿真結(jié)果如下：圖7 交流放大增益仿真由結(jié)果可看出放大增益約44db，放大倍數(shù)符合本次設(shè)計(jì)的要求躍升頻率約為 。同理在virtuoso analog design environment模擬環(huán)境中的modifer選擇phase的得到放大倍數(shù)和相位仿真，結(jié)果如下，從圖中可看出相位裕度絕對大于60.放大倍數(shù)大于40db，這是調(diào)整并優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求圖8 增益與相位仿真3.3、瞬態(tài)分析

12、進(jìn)行trans分析，將輸入接交流源，設(shè)定參數(shù)dc值為原來直流模擬時值，調(diào)試幅度為10mv，頻率為1khz，設(shè)計(jì)電路圖如下圖9瞬態(tài)分析電路圖設(shè)置好信號電壓源后點(diǎn)擊check and save，保存好后選擇tools/ analog environment，進(jìn)入virtuoso analog design environment模擬環(huán)境,在彈出的對話框中選擇output/to be poltted/select from schmatic,進(jìn)入sahmatic edit窗口，點(diǎn)擊“in”和“out”線，選擇電壓輸出。點(diǎn)擊ok回到analog environment;選擇運(yùn)行simulation/n

13、etlist and run,然后選擇result/direct polt/main form，在彈出的對話框中選擇voltage，然后在電路圖上選擇“in”和“out”線，再在原理圖中點(diǎn)擊輸出線，進(jìn)行結(jié)果的查看，對交流信號的仿真結(jié)果如下：圖10 trans分析結(jié)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?yàn)檩斎氲姆聪?，因?yàn)槎x了50ps延時，所以輸入輸出在時間上不精確對準(zhǔn)，中的說來放大倍數(shù)是達(dá)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(diǎn)擊c

14、heck and save，保存好后選擇tools/ analog environment，進(jìn)入virtuoso analog design environment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stop time選項(xiàng)里輸入30p，點(diǎn)擊ok確定回到 analog environment;選擇運(yùn)行simulation/netlist and run,然后選擇result/direct polt/main form，在彈出的對話框中選擇voltage，再在原理圖中點(diǎn)擊輸出線（out），進(jìn)行結(jié)果的查看，對交流信號的仿真結(jié)果如下：圖

15、11 trans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范圍壓擺率，意思就是運(yùn)算放大器輸出電壓的轉(zhuǎn)換速率繪制好電路圖之后修改各器件的參數(shù)知道接恰當(dāng)為止，修改好輸入信號的參數(shù)后點(diǎn)擊check and save，保存好后選擇tools/ analog environment，進(jìn)入virtuoso analog design environment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sweep variabl/componemt parameter，點(diǎn)擊select

16、 component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sweep ranged的start_stop的start里輸入1，在stop里輸入4；再在sweep type里選擇linear，在step size里填上0.01。點(diǎn)擊ok回到analog environment;選擇運(yùn)行simulation/netlist and run,然后選擇result/direct polt/main form，在彈出的對話框中選擇voltage，再在原理圖中點(diǎn)擊輸出線，進(jìn)行結(jié)果的查看，即可得到仿真的結(jié)果：圖12 壓擺率大信號分析從圖中可看出，由于電壓為1.

17、8v，其從高電平越變?yōu)榈碗娖降闹禐?.5v左右。四、課程設(shè)計(jì)心得集成電路課程設(shè)計(jì)終于完成了，一開始什么什么都不知道做，因?yàn)槲覀儧]有學(xué)到真正能用于實(shí)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(xué)的一點(diǎn)點(diǎn)，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(shè)計(jì)，我才有了了具體的做法，本次設(shè)計(jì)就是要找好mos管的w/l比及其他參數(shù)，在cadence軟件里去查找了所要用的器件的參數(shù)，然后計(jì)算出來，但是實(shí)際做的時候往往要改很多不當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)，只有仿真出來的結(jié)果才會證明計(jì)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(jié)果做出來了。對于我們電

18、子專業(yè)還是什么工科專業(yè)，不管是硬件設(shè)計(jì)還是軟件設(shè)計(jì)，都要分模塊設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)思路都是自頂向下，自底向上。知識的連貫性體現(xiàn)于應(yīng)用。我覺得學(xué)習(xí)在于發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，解決問題的關(guān)鍵在于自己，而不是一味的依靠別人。如今網(wǎng)絡(luò)資源如此豐富，為我們提供了一個很好的學(xué)習(xí)平臺，感覺知識的海洋是如此的浩瀚，而我們卻是如此的渺小，希望在自己有限的時間里學(xué)習(xí)更多的東西。課程設(shè)計(jì)主要是我們理論知識的延伸，它的目的主要是要在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)問題，并且自己要能找到解決問題的方案，形成一種獨(dú)立的意識。當(dāng)然在做課程設(shè)計(jì)的過程中總會出現(xiàn)各種問題，在這種情況下我們都會努力尋求最佳路徑解決問題，無形間提高了我們的動手，動腦能力，并且同學(xué)之間還能相互探討問題，研究解決方案，增進(jìn)大家的團(tuán)隊(duì)意識。本次課程設(shè)計(jì)有機(jī)地結(jié)合了理論與實(shí)踐，既考察了我們對理論知識的掌握情況，還反映出我們實(shí)際動手能力，更主要的是它激起我們創(chuàng)新思維，為今后的進(jìn)一步學(xué)習(xí)創(chuàng)下良好條件，為以后的就業(yè)也打下一個根基，真可謂一舉多得。剛開始，不知道從哪里入手，經(jīng)歷了一次次的困難，卻積累了很多