cmos模擬集成電路設(shè)計(jì)試驗(yàn)報(bào)告

1、北京郵電大學(xué)實(shí)驗(yàn)題目： cmos模擬集成電路實(shí)驗(yàn)姓名：何明樞班級(jí)：2013211207班內(nèi)序號(hào)：19學(xué)號(hào):學(xué)13211007指導(dǎo)老師：乾包日 期： 2016 年 1月 16 日 星期六目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 實(shí)驗(yàn)一：共源級(jí)放大器性能分析 1 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Doc

2、ument 三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 3 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 實(shí)驗(yàn)二：差分放大器設(shè)計(jì)4 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 二、實(shí)驗(yàn)要求4 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 三、實(shí)驗(yàn)原理4 HYPERLINK l bookmark22 o Cur

3、rent Document 四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果5 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 五、思考題6 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 實(shí)驗(yàn)三：電流源負(fù)載差分放大器設(shè)計(jì) 7 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容7 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 三、差分放大器的設(shè)計(jì)方法 7 HYPERLINK l

4、 bookmark34 o Current Document 四、實(shí)驗(yàn)原理7 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 9 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 六、實(shí)驗(yàn)分析 10 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 實(shí)驗(yàn)五：共源共柵電流鏡設(shè)計(jì) 11 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 二、實(shí)驗(yàn)題目

5、及要求11 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容11 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 四、實(shí)驗(yàn)原理11 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果14 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 六、電路工作狀態(tài)分析 15 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 實(shí)驗(yàn)六：兩級(jí)運(yùn)算放大器設(shè)計(jì) 17 HYPERLINK l bookmark62 o C

6、urrent Document 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?7 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 二、實(shí)驗(yàn)要求17三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容17 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 四、實(shí)驗(yàn)原理21 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果23 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 六、思考題24 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 24 HYPERLINK

7、l bookmark78 o Current Document 實(shí)驗(yàn)總結(jié)與體會(huì)26 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 一、實(shí)驗(yàn)中遇到的的問題 26 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 二、實(shí)驗(yàn)體會(huì)26 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 三、對(duì)課程的一些建議 27實(shí)驗(yàn)一：共源級(jí)放大器性能分析、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握synopsys軟件啟動(dòng)和電路原理圖(schematic)設(shè)計(jì)輸入方法；2、掌握使用synopsys電路仿真軟件custom designer對(duì)

8、原理圖進(jìn)行電路特性 仿真；3、輸入共源級(jí)放大器電路并對(duì)其進(jìn)行DG AC分析，繪制曲線；4、深入理解共源級(jí)放大器的工作原理以及mos管參數(shù)的改變對(duì)放大器性能的影響、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、啟動(dòng)synopsys建立庫(kù)及 Cellview文件。2、輸入共源級(jí)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、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1、實(shí)驗(yàn)電路圖i io )1rirnp uhomMlc Eanlng -CwigMr SchmjA|c idltarJLIballDig小View A41dEdil OlckD0C1M& 州Pg M電始H=1_ IL ；二一_?、，八卜. |V： CVGS2由于I0=ID1+ID2

9、, ID1相對(duì)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VGS次時(shí)，ID2應(yīng)小。因此要使電路平衡，IOUT必須為正。輸出電流IOUT等于差分對(duì)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(hào)轉(zhuǎn)換成單 端輸出信號(hào)。反之如果 VGS1=5倍的特征尺寸。綜上所述，版圖設(shè)計(jì)中取L 3uM2、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)Iin 100uA,它們工作于臨界飽和區(qū)；當(dāng)Iin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)，則：Vds4Vgs4V

10、t4Vd4 Vg4 Vt4Vgs1VOUTMINVT3 VT4VT1VVOUTMIN而VT1 0.6431V,Voutm|N0.5V，顯然上式成立。即 MN4工作于飽和區(qū)五、實(shí)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MOS1MOS2MOS3MOS4Id0.829422m0.831468m0.834463m0.834463mVgs0.568761v0.5421750.553177v0.553177vVds0.225451v2.90201v0.354312v0.354312v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)，滿足實(shí)驗(yàn)的要求

11、實(shí)驗(yàn)六：兩級(jí)運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜ぼ浖氖褂?，了解synopsys軟件的設(shè)計(jì)過程。掌握電流鏡的相關(guān)知識(shí)和 技術(shù)，設(shè)計(jì)集成電路實(shí)現(xiàn)所給要求。二、實(shí)驗(yàn)要求單級(jí)放大器輸出對(duì)管產(chǎn)生的小信號(hào)電流直接流過輸出電阻，因此單級(jí)電 路的增益被抑制在輸出對(duì)管的跨導(dǎo)與輸出阻抗的乘積。在單級(jí)放大器中，增益是與輸出擺幅相矛盾的。要想得到大的增益我們可以采用共源共柵結(jié)果來極大的提 高出阻抗的值，但是共源共柵中堆疊的MOS管不可避免的減少了輸入電壓的范圍。因?yàn)槎嘁粚庸茏又辽僭黾右粋€(gè)對(duì)管子的過驅(qū)動(dòng)電壓。這樣在共源共柵結(jié)構(gòu)的增益與輸出電壓矛盾。為了緩解這種矛盾引入兩級(jí)運(yùn)放，在兩級(jí)運(yùn)放中將這兩個(gè) 點(diǎn)在不同級(jí)實(shí)現(xiàn)。如本設(shè)計(jì)

12、中的兩級(jí)運(yùn)放，大的增益靠第一級(jí)與第二級(jí)級(jí)聯(lián)而組 成，而大的輸出電壓范圍靠第二級(jí)的共源放大器來獲得。設(shè)計(jì)一個(gè)COMS兩級(jí)放大電路，滿足以下指標(biāo)：AV=5000V/V (74dB) VDD=2.5V VSS=2.5V GB=5MHz CL=5pf SR10V/us 相位裕度=60 度 VOUT 范圍=-2,2V ICMR=12V Pdiss=2mW 三、實(shí)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M2電流ID1,2=ID3,4=1/2*ID5,同時(shí)M3, M4組成電流鏡結(jié)構(gòu)，如果 M3和M4 管對(duì)稱，那么相同的結(jié)構(gòu)使得在 x, y兩點(diǎn)的電壓在Vin

13、的共模輸入范圍內(nèi)不隨 著Vin的變化而變化，為第二極放大器提供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。表1 S5H藝庫(kù)提供的模型參數(shù)CSMC O.Sum Double Poly Mix CMOS precess model工藝參數(shù)NMOSPMOS0.7016-0.95081.28E-81.24E-8404,257219.5隼位表2 一些常用的物理常數(shù)常數(shù)描述值單位克島下芻由空間介電常數(shù)二氧歸硅為介電常效r on耳一利用表1、表2中的參數(shù)計(jì)算得到第一級(jí)差分放大器的電壓增益為:（1）第二極共源放大器的電壓增益為4c(2)所以二級(jí)放大器的總的電壓增益為Mi GB i GB i G

14、B180、tan () tan () tan () 60Pl|P2|Zitan 1(AV),GB、 tan (;)|P2tan 1(0.1) 12001 GBtan ()|P224.30所以P22.2GB駟2.2(皿)Cl Cc要求60的相位裕量，假設(shè)RHP零點(diǎn)高于10GB以上卜萼 10（萼）gm6 10gm2由于要求60的相位裕量，所以CcCc2.2ClCc L 0.22Cl可得到 10=2.2pF因此由補(bǔ)償電容最小值2.2pF,為了獲得足夠的相位裕量我們可以選定Cc=3pF考慮共模輸入范圍：在最大輸入情況下，考慮 M1處在飽和區(qū)，有VdD VsG3 Vn Vic (max)Vn VTN1V

15、IC (max)VDDVSG3 VTN1(4)在最小輸入情況下，考慮M5處在飽和區(qū)，有(5)VIC (min)VSS VGS1VDsat5VIC (min)VSSVGS1VDsat5而電路的一些基本指標(biāo)有P1g m1AvCcP2g m6Clgm6CcGBgm1CcGB是單位增益帶寬P1是3DB帶寬GB=Av picmr：Mn（最大）=VDdl Vt3（最大）Wl（最?。┱腸mr 3（10）Vin（最小）=。憐 Mi （最大）Vds5（飽和） 負(fù)的cmr, 1(12)SR由電路的壓擺率I d5CC得到1 d5 =(3*10-12)()10*106)=30 a A(為了一定的裕度,我們?nèi)ref

16、 40 Ao ）則可以得到 Id1,2 Id3,4 Id5/220 A卜面用ICMR的要求計(jì)算（W/L）3W仁)3I5(2(K3)Vdd VSG3 VTN1 11/1所以有a3 = (%4=11/1GB 由Cc , GB=5MHz我們可以得到gm1 56_12_1023 1094.2 s即可以得到(W/L)1 (W/L)222/12KNI1用負(fù)ICMR公式計(jì)算VDsat5由式（12）我們可以得到下式Vic (min)Vss VgS1 VDsat5如果Vds5的值小于100mv,可能要求相當(dāng)大的（W/L）5,如果VDsat5小于0, 則ICMR的設(shè)計(jì)要求則可能太過苛刻，因此，我們可以減小15或者

17、增大（W/L）5來解決這個(gè)問題，我們?yōu)榱肆粢欢ǖ挠喽任覀僔ic(min)等于-1.1V為下限值進(jìn)行計(jì)一、/ a； 一 一VDsat5VIC (min)()VTN1VSS1則可以得到的“刈5進(jìn)而推出S5 (W/L)52( I 5)22K5 (VDsat 5 )11/1即有(W/L)5(W/ L)8 11/1為了得到60的相位裕量，gm6的值近似起碼是輸入級(jí)跨導(dǎo)gm1的10倍(alien 書p.211例6.2-1),我們?cè)O(shè)gm6 10gmi 942 s ,為了達(dá)到第一級(jí)電流鏡負(fù)載(M3和M4)的正確鏡像，要求Vsg4 Vsg6 ,圖中x, y點(diǎn)電位相同我們可以得到(W/L)6 (W/L)4 4 6

18、4/1 gm4進(jìn)而由gm62Kp(W/ L)6柒我們可以得到直流電流2g m621d6 1d72?6 113.7 A2K 6(W/L)6 2K 6s6同樣由電流鏡原理，我們可以得到(W/L)7 3(W/L)5 32/1 1 d5四、實(shí)驗(yàn)原理電路結(jié)構(gòu)：最基本的COMS二級(jí)密勒補(bǔ)償運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的結(jié)構(gòu)如圖所示。主要包括四 部分：第一級(jí)輸入級(jí)放大電路、第二級(jí)放大電路、偏置電路和相位補(bǔ)償電路兩級(jí)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若不考慮零點(diǎn)z1,僅考慮第二極點(diǎn)p2,那么這是一個(gè)典型的兩 極點(diǎn)決定的系統(tǒng)。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，通常要求有 6

19、3 0左右的相位裕度，即保持 頻率階躍響應(yīng)的最大平坦度以及較短的時(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(huì)得到惡化。同時(shí)如果為了將兩個(gè)極點(diǎn)分離程度增大，則補(bǔ)償電容Cc就要增大，這也會(huì)使得零點(diǎn)減小，進(jìn)一步犧牲相位裕度，如圖所示。g*HrulHI仟Inllllllgla“IrTlsfflnl/lllsulnrlllnla.JMrttT-rL ,任丘卜 TH 口HIu 目擊UIrJ印all R-MH UOR-U1I白日H門 W1=_*TXM.M-J.T-=I* t*=m flMFI口rl Mirnr hirzlr miti 二 -二-

20、 甫口干-十,*壬1”HflnHDttItlt-ihI 1 匚“l(fā)flwrl lllwzlT1-1 卜含=lf 號(hào)二.bfinu I I I I l.m n l=l3 wan a s三一一fzfdfnd111il百和HTI ,u MBBHn it rLL mJLXE-TTI =二 ILcIFi Mrs雨.0El3 J 5*二 _ uilH J ulslRtul Ums Ui目Flci -=- .almzl_=!=_L|5-二|juzI-=_!=匚 Ll=|=一 .1 底一|=|1 r闈UIrtlWBI即一山lllNIHIiilalmal看印nllllBInlnl If|;|+1qflHbKil

21、+iTil 百口川 xlrlIF1TIII 守口 口1-1m日 RLIyinFIHrlt1日 III& 口。II口-口口.111。飛10 u10* 10ml 5， T G B101010101010Frequency(Hz)MflPODTljt lBfiH Boel: ffs rnl*rr i E-r-r r itEUL Mal M-enMI 耳 J-a T- JbeF 二二二二 bc llllslmM III百口門M BWET II I s- 1-1 If I T-亙匚u r i 一= -=r L 胃01fLiiloo 二 里工工-I-135 J J i-il T 1- - Etlh-H-

22、XE /”tKctrmJTr II.日 UN號(hào)3U mu ,ificim 三二二 M-ILN5npH ”.口rlrliI= 3-1 ，m=l1=11里口巴Lit 口一 口口rlIL InnL wl_nzl1 mnn r JE 二 H $ K M 巾. I|肯口口Ii I 1130 rlI 圈口p哥五口ttILH . 旦口口 rLI 回15口 LIfa 國(guó)口口l-lt I三L Fn:lf 4極點(diǎn)分裂與Cc變化五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1、電路圖2、幅頻特性曲線3、靜態(tài)工作點(diǎn),3.七aDriMDC 曲n wem2 2-4六、思考題分析此類電流鏡優(yōu)點(diǎn)，并說明原因。答：1.獲得了較高的精度：在本電路中，由于電路結(jié)構(gòu)

23、特點(diǎn)，下方兩nmos管（圖 中1,2）的漏端注入電壓相等，由此，lout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(duì)M 1, M2而言，變化量近似相等，因此 lout周iin o即通過共源共柵級(jí)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、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析在本次設(shè)計(jì)中采用了密勒補(bǔ)償，但在包含密勒補(bǔ)償?shù)碾娐分袝?huì)產(chǎn)生一個(gè)離原點(diǎn)很近的零點(diǎn)，位于 Zgm6這是由于Cc+CGD影成從輸入到輸Cc CgD5出的回路。這個(gè)零點(diǎn)大大降低了電路的穩(wěn)定性。本次設(shè)計(jì)中我們?cè)黾右粋€(gè)與補(bǔ)償電容串聯(lián)的電阻，從而改善零點(diǎn)的頻率,1引入的

24、電阻為 R乙 零點(diǎn)的頻率可表示為Z CC(1 / gm6 Rz)， 將止匕零點(diǎn)移到左半平面來消除第一非主極點(diǎn)，滿足的條件為 TOC o 1-5 h z 1gm6Cc(i/ gmRZJCL cerCL CE CCCL CCg m6CCg m6CC選定合適的CL與CC在程序中讀出gm6的值，就可以計(jì)算出RZ的值。但 是電阻過大會(huì)帶來更大的熱噪聲，還會(huì)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適的數(shù)據(jù)，其中 CC=3p , RZ=60K GBft電路的穩(wěn)定性均比較 好的達(dá)到了要求。實(shí)驗(yàn)總結(jié)與體會(huì)一、實(shí)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)候忽略了，沒有認(rèn)真閱讀講義，在閱讀講義以 后發(fā)現(xiàn)了這個(gè)問題并解決；2、MOi設(shè)置時(shí)的名稱問題NMOS口 PMO管在設(shè)置時(shí)不能使用默認(rèn)的 NMOa PMOS要換成對(duì)應(yīng)的N和 P在仿真的時(shí)候才不會(huì)報(bào)錯(cuò)；.繪制幅頻特性