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)設計題目：二級運放設計院 系：班 級：設計者：學 號：設計時間： 2011.6.20哈爾濱工業(yè)大學2012年設計題: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），入n = 0.02V-1,入p= 0.02V-1 （有效溝道長度為2仙m時），入n= 0.01V-1,入 p= 0.01V-1 （有效溝道長度為 4 pm時）,y =0.2, Vthn = |Vthp | =0.7V。設 計如下圖的放大器，

2、滿足如下要求，其中負載電容 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 .請說明詳細的設計過程，包括公式表達式（假定Cox = 0.35fF/ mi，柵源電容按 計算）；2 .給出進行交流仿真和瞬態(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（注意討論對其它性 能參數(shù)的影響）？ 注意事項:1 .計算得到的極點頻率為

3、角頻率。2 .尺寸最后應選取整數(shù)，工藝精度的限制3 .尾電流增加，Av增加還是減??？1 .根據(jù)相位裕度 PM=60deg的要求，求Cc （假定z>10GB）考慮零點的影響， CC的選?。篜M=60°時，GB處ar ctgGBpiar ctg 阻 arctg GBP2z18060令 3 z =10GB 時“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負載電容 CL=10pF,所以 Cc>2.2p

4、F,取 Cc=3pF2 .由已知的Cc并根據(jù)轉換速率的要求（或功耗要求）選擇 ISS （I5）的范圍;由 Sr k, Sr 10V/ &可得15 30 A,取15 40 A Cc3 .由計算得到的電流偏置值 （I5 /2），設計 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達最大4.5V時，M3, M4管的過驅動電壓為：VOD3,4VDDICMRVTHnVTHp由此可得，M3 , M4管的漏電流:I 5 /2 I 3(4)pCox VoD3,41 w2 pCox - (VddICMRVTHn代入 NpCox=50 pA/V2,

5、 VDD = 5V, ICMR+=4.5V, I5=40 p A,Vthp)220 AVthn= | Vthp | =0.7V 可得:(W)3,43.2,此時取(W )3, 4=44 .驗證M3處鏡像極點是否大于 10GB驗證 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代入驗證成立W2/L2 ）滿足 GB的要求5 .設計 W1/L1 （GB gm1/CcW126gm12

6、 nCoxIiCc GB 3 1025 10n oxi c由此解得：（?）1,2=2.01 ,此時取（?）1,2=36 .設計W5/L5滿足下ICMR （或輸出擺幅）要求；當ICMR取最小值1.5V時，M5管的過驅動電壓為: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)5 LL7.根據(jù)3 p2>2.2GB計算得到gm6;并且根據(jù)偏置條件 VSG4=VSG6計算得到M6的尺寸由p2 眥，GB=駟；且p2 p Cl

7、Cc p2.2GB 得:由“,且 I 7 I 6, I6gm6 2.2gm2CL/Cc,令 gm6=2.2gm2CL/Cc所以pCox( )6(VGS6 VTHP )一 W2.2 nCox(-)2(VGS2VTHN )ClCc根據(jù)電路結構得：I2 I4;即2 pCox詈（VGS4 VTHP）2W22nCox 二T (VGS2 VTHN )L2又因為 VGS6V GS4 , 所以 VGS6 VTHPVGS4 VTHP(VGS2VTHN )n(W2/L2)p(W4/L4)62.2C l聯(lián)立可得：一二LL6CCn (W2/L2)(W4/L4)2.2 10 110 3 450=37.68,取 W6=3

8、8L68.根據(jù)尺寸和gm6計算I6）并驗證 Vout,max是否滿足要求,W6 / L6 .I 6g 4W4/L438一 20 190 A4M 6管的過驅動電壓: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 .計算M7的尺寸。并驗證 Vout,min是否滿足要求W62L6gI4,I4"得:W4/L42(W)(W6/ L6)g(W5/ L5)(T)72W4/ L438 42 419M 7管的過驅動電壓：VOD71 2I7/ /2I6/ J2 190 0.43V nGx(W/L)7

9、 nCox(W/L)7'110 19Vod70.43V0.5VVout,min,滿足要求10.驗證增益和功耗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滿足題設要求。11.SPICE仿真驗證(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 8 010

11、pVDD 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：

12、一3-: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 si

13、n( 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7-*4 AN "g .輸出信號分析：交流仿真與瞬態(tài)仿真結果與計算所得理論值相符，在計算中所忽略的部分體效應、溝道長度調 制效應的影響是造成仿真結果與理論計算產(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（注意討論對其它性能 參數(shù)的影響）？由Av2 pCox