哈工大cmos模擬集成電路大作業(yè)

1、aHarbin I nstituteof Technology模擬CM OS集成電路大作業(yè)設(shè)計(jì)題目：二級(jí)運(yùn)放設(shè)計(jì)院系：班 級(jí)：設(shè)計(jì)者：學(xué) 號(hào)：設(shè)計(jì)時(shí)間： 2011.6.20哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012年設(shè)計(jì)題:假定 NnCox=110 pA/V2, NpCox=50 pA/V2 ,入 n= 0.04V-1,入 p= 0.04V-1 （有效 溝道長度為1pm時(shí)），入n = 0.02V-1,入p= 0.02V-1 （有效溝道長度為2仙m時(shí)），入n= 0.01V-1,入 p= 0.01V-1 （有效溝道長度為 4 pm時(shí)），y =0.2, Vthn = |Vthp | =0.7V。設(shè) 計(jì)如下圖的放大器，滿

2、足如下要求，其中負(fù)載電容 Cl = 10pF。Av > 4000V/V , VDD = 5V, GB = 5MHz , SR> 10V/ s , 60° 相位裕度， Vout 擺幅 =0.54.5V, ICMR 1.54.5V, PdissW 2mWVdd1 .請(qǐng)說明詳細(xì)的設(shè)計(jì)過程，包括公式表達(dá)式（假定Cox = 0.35fF/ mi，柵源電容按 計(jì)算）；2 .給出進(jìn)行交流仿真和瞬態(tài)仿真的spice仿真的網(wǎng)表，并給出仿真波形和結(jié)果。3 .如果要求Av至少提高為原來的2倍，其它要求不變，如何修改電路（注意討論對(duì)其它性 能參數(shù)的影響）？ 注意事項(xiàng):1 .計(jì)算得到的極點(diǎn)頻率為角

3、頻率。2 .尺寸最后應(yīng)選取整數(shù)，工藝精度的限制3 .尾電流增加，Av增加還是減小？1 .根據(jù)相位裕度 PM=60deg的要求，求 Cc （假定z>10GB）考慮零點(diǎn)的影響， CC的選取：PM=60°時(shí)，GB處ar ctgGBpiar ctg 阻 arctg GBP2z18060令 3 z =10GB 時(shí)“GB90 arctg arctg 0.118060P2若 PM>60 ° , co p2>2.2GB,并由 3 z=10GBgmII 22 g mil"CT.10CC由此可得：Cc 0.22cl負(fù)載電容 CL=10pF,所以 Cc>2.2p

4、F,取 Cc=3pFISS (I5)的范圍;2 .由已知的Cc并根據(jù)轉(zhuǎn)換速率的要求（或功耗要求）選擇由 Sr k, Sr 10V/ &可得15 30 A,取15 40 A Cc3 .由計(jì)算得到的電流偏置值 （I5 /2），設(shè)計(jì) W3/L3 （ W4/L4 ）滿足上ICMR （或輸出擺幅）要求，即飽 和區(qū)條件；極限情況下，即ICMR達(dá)最大4.5V時(shí)，M3, M4管的過驅(qū)動(dòng)電壓為：VOD3,4VDDICMRVTHnVTHp由此可得，M3 , M4管的漏電流:I 5 /2 I 3(4)pCox VoD3,41 w2 pCox - (VddICMR、2一VTHn VTHp )20 A代入 Np

5、Cox=50 pA/V2, VDD = 5V, ICMR+=4.5V, I5=40 p A, Vthn=| Vthp |=0.7V 可得:(W)3,43.2,此時(shí)取(W )3, 4=44 .驗(yàn)證M3處鏡像極點(diǎn)是否大于 10GB驗(yàn)證 一gm- -gm3- 10GBCgs3 Cgs4 2CgS3 15 _ _14 _Cgs3 0.67W3L3C0X 0.67 4 4 4 0.35 101.5008 10 F_ Wj6_66gm3 .2 pCox I32 50 104 20 1089.44 10 A/V代入驗(yàn)證成立W2/L2 ）滿足 GB的要求5 .設(shè)計(jì) W1/L1 （GB gm1/Ccgm1W12

6、62 nCoxIiCc GB 3 1025 10n oxi c由此解得：（W）i,2=2.01 ,此時(shí)?。╓）i,2=36 .設(shè)計(jì)W5/L5滿足下ICMR （或輸出擺幅）要求；當(dāng)ICMR取最小值1.5V時(shí)，M5管的過驅(qū)動(dòng)電壓為:Vod5ICMRVgsiicmr2I1 Vth =1.5- nCox(W /L)12 20 10-60.7 =0.45V110 1031 W 2I 52 nCox("L)VOD5由此可得，(W)5 3.59,取(W. LL7.根據(jù)3 p2>2.2GB 計(jì)算得到gm6;并且根據(jù)偏置條件 VSG4=VSG6計(jì)算得到M6的尺寸由p2眥，GB=駟；且p2 p C

7、lCc p2.2GB 得:gm6 2.2gm2CL/Cc,令 gm6=2.2gm2CL/Cc所以pCox( )6(VGS6 VTHP )一 W2.2 nCox(-)2(VGS2VTHN )ClCc根據(jù)電路結(jié)構(gòu)得：I2 I4;即2 pCox詈（VGS4 VTHP）2W22nCox 二T (VGS2 VTHN )L2又因?yàn)?VGS6V GS4 , 所以 VGS6 VTHPVGS4 VTHP(VGS2VTHN )n(W2/L2)p(W4/L4)W62.2Cl聯(lián)立可得：一二LL6CCn (W2/L2)(W4/L4)2.2 10 110 3 450=37.68,取 W6=38L68 .根據(jù)尺寸和gm6計(jì)

8、算16,并驗(yàn)證Vout,max是否滿足要求W6 /L638I6664 一 20 190 AW4/L44M 6管的過驅(qū)動(dòng)電壓:VOD62I6 pCox(W/L)62 190 10 660.45V 50 10 6 38Vdd Vod6 5 0.45 4.55V 工譏2,滿足要求9 .計(jì)算M7的尺寸。并驗(yàn)證 Vout,min是否滿足要求由“,且 I 7 I 6, I6W62L6gI4,I4"得:W4/L42(W)(W6/ L6)g(W5/ L5)(T)72W4/ L438 42 419M 7管的過驅(qū)動(dòng)電壓：VOD71 2I7/ /2I6/ J2 190 0.43V nGx(W/L)7 nC

9、ox(W/L)7'110 19Vod70.43V0.5VVout,min,滿足要求10.驗(yàn)證增益和功耗gm2 . 2-nCox-W / L-2 12.2 110 10 6 3 20 10 6 114.89 10 6A/Vgm6 . 2 pCox W / L 6 I6,2 50 10 6 38 190 10 6 849.71 10 6A/V2g m2g m6I 5( 23) I 6 ( 67 )6 2 114.89 10 6 %叱 10-6=16056.44V/V40 10-6 (0.02+0.02) 190 10(0.02+0.02)Pdiss=(I5+I6)(VDD+|Vss|)=(

10、40 10-6+190 10-6) (5+0)=1.15mW<2mW滿足題設(shè)要求。11.SPICE仿真驗(yàn)證(1)交流仿真Spice網(wǎng)表：AN TWO-STAGE OP AMPSM1 2 5 6 0 MOSN w=6u l=2.0uM2 3 4 6 0 MOSN w=6u l=2.0uM3 2 2 1 1 MOSP w=8u l=2.0uM4 3 2 1 1 MOSP w=8u l=2.0uM5 6 7 0 0 MOSN w=8u l=2.0uM6 8 3 1 1 MOSP w=76u l=2.0uM7 8 7 0 0 MOSN w=38u l=2.0uCc38 3pCl 8 010pVD

11、D 1 0 DC 5VVb 7 0 DC 1.15VV1 4 0 DC 1.5V AC 0.0001VV2 5 0 DC 1.5V AC 0.0001V 180.OP.ac DEC 20 1 100Meg.plot ac v(8)/0.0002V).plot ac vp(8).PROBE*model.MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.02 GAMMA=0.2 PHI=0.7.MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U+LAMBDA=0.02 GAMMA=0.2 PHI=0.8.end16 a: * H +-二一七一3卜：一3-

12、:于3寸W4葉-IT鉗511。iwn DDVZ-VI幅頻特性曲線相頻特性曲線(2)瞬態(tài)仿真Spice網(wǎng)表：AN TWO-STAGE OP AMPSM1 2 5 6 0 MOSN w=6u l=2.0uM2 3 4 6 0 MOSN w=6u l=2.0uM3 2 2 1 1 MOSP w=8u l=2.0uM4 3 2 1 1 MOSP w=8u l=2.0uM5 6 7 0 0 MOSN w=8u l=2.0uM6 8 3 1 1 MOSP w=76u l=2.0uCc 3 8 3PCl 8 010PVDD 1 0 DC 5VVb 7 0 DC 1.15VV1 4 5 DC 0v sin(

13、0 0.0001v 100KHz )V2 5 0 DC 1.5V.OP.tran 10us 20us.plot tranV(8).plot tranV(4).probe*model.MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.02 GAMMA=0.2 PHI=0.7 .MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U +LAMBDA=0.02 GAMMA=0.2 PHI=0.8 .endRie E* V輸入信號(hào)7-*4 AN "g .輸出信號(hào)分析：交流仿真與瞬態(tài)仿真結(jié)果與計(jì)算所得理論值相符，在計(jì)算中所忽略的部分體效應(yīng)、溝道長度調(diào) 制效應(yīng)的影響是造成仿真結(jié)果與理論計(jì)算產(chǎn)生微小偏差的原因。討論問題：如果要求 Av至少提高為原來的2倍，其它要求不變，如何修改電路（注意討論對(duì)其它性能 參數(shù)的影響）？由Av2 pCox