模擬CMOS集成電路設(shè)計課程設(shè)計實驗報告(二級放大器的設(shè)計)

模擬CMOS集成電路設(shè)計課程設(shè)計報告--------二級運(yùn)算放大器的設(shè)計信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子與科學(xué)技術(shù)系一、概述：運(yùn)算放大器是一個能將兩個輸入電壓之差放大并輸出的集成電路。運(yùn)算放大器是模擬電子技術(shù)中最常見的電路，在某種程度上，可以把它看成一個類似于BJT或FET的電子器件。它是許多模擬系統(tǒng)和混合信號系統(tǒng)中的重要組成局部。它的主要參數(shù)包括：開環(huán)增益、單位增益帶寬、相位閾度、輸入阻抗、輸入偏流、失調(diào)電壓、漂移、噪聲、輸入共模與差模范圍、輸出驅(qū)動能力、建立時間與壓擺率、CMRR、PSRR以及功耗等。二、設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一個二級運(yùn)算放大器，使其滿足以下設(shè)計指標(biāo)：工藝Smic40nm電源電壓1.1v負(fù)載100fF電容增益20dB至少40dB3dB帶寬20MHz輸入小信號幅度5uV共模電平自己選取輸出共模電平自己選取電路結(jié)構(gòu)兩級放大器相位裕度60~70度功耗無要求三、電路分析：1.電路結(jié)構(gòu)：最根本的二級運(yùn)算放大器如以下圖所示，主要包括四局部：第一級放大電路、第二級放大電路、偏置電路和相位補(bǔ)償電路。2.電路描述：輸入級放大電路由PM2、PM0、PM1和NM0、NM1組成。PM0和PM1構(gòu)成差分輸入對，使用差分對可以有效地抑制共模信號干擾；NM0和NM1構(gòu)成電流鏡作為有源負(fù)載；PM2作為恒流源為放大器第一級提供恒定的偏置電流。第二級放大電路由NM2和PM3構(gòu)成。NM2為共源放大器；PM3為恒流源作負(fù)載。相位補(bǔ)償電路由電阻R0和電容C0構(gòu)成，跨接在第二級輸入輸出之間，構(gòu)成RC米勒補(bǔ)償。此外從電流電壓轉(zhuǎn)換角度來看，PM0和PM1為第一級差分跨導(dǎo)級，將差分輸入電壓轉(zhuǎn)換為差分電流。NM0和NM1為第一級負(fù)載，將差模電流恢復(fù)為差模電壓。NM2為第二級跨導(dǎo)級，將差分電壓信號轉(zhuǎn)換為電流，而PM3再次將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。偏置電壓由V0和V2給出。3.靜態(tài)特性對第一級放大電路：構(gòu)成差分對的PM0和PM1完全對稱，故有Gm1=gmp0=gmp1(1)第一級輸出電阻Rout1=rop1||ron1(2)那么第一級電壓增益A1=Gm1Rout1=gmp0,1(rop1||ron1)(3)對第二級放大電路：電壓增益A2=Gm2Rout2=-gmn2(ron2||rop3)(4)故總的直流開環(huán)電壓增益A0=A1A2=-gmp0,1gmn2(rop1||ron1)(ron2||rop3)(5)由于所有的管子都工作在飽和區(qū)，所以對于gm我們可以用公式gm=(6)進(jìn)行計算；而電阻ro可由下式計算ro=(7)其中λ為溝道長度調(diào)制系數(shù)且λ∝1/L。4.頻率特性第一級輸出節(jié)點到地的總電容Cout1Cout1=CGDP1+CDBP1+CGDN1+CDBN1+CGSN2〔8〕第二級輸出節(jié)點到地的總電容Cout2Cout2=CDBN2+CDBP3+CGDP3+CL(9)列出KCL方程：〔10〕〔11〕聯(lián)立〔10〕、〔11〕消去中間變量Vi2得電路的傳遞函數(shù)為〔12〕其中a=[Cout1Cout2+C0(Cout1+Cout2)]Rout1Rout2b=Cout1Rout1+Cout2Rout2+C0(Gm2Rout1Rout2+Rout1+Rout2)(13)由式〔12〕可得零點〔14〕再看式〔12〕分母局部，對于形如as2+bs+1=0的方程，如果有兩個實根并相距很遠(yuǎn)，有s1=-c/b,s2=-b/a。由此得兩個實根分別為(15)(16)于是電路的主極點(17)而次級點(18)由于Cout2和C0遠(yuǎn)大于Cout1，而Cout1中主要的局部為CGSN2，Cout2中那么以CL為主，經(jīng)過適當(dāng)近似可得單位增益帶寬為(19)四、設(shè)計步驟：1〕原理圖繪制①根據(jù)設(shè)計好的電路圖選擇并添加需要的器件；②將各個器件擺放好位置并連線；③根據(jù)設(shè)計要求將VDD設(shè)置成1.1V，CL設(shè)置成100fF，輸入交流信號5uV，1MHz；④初始設(shè)置所有管子的寬長比為50u/200n,輸入直流偏置300mV；參數(shù)調(diào)節(jié)第一級：①首先要保證PM2工作在飽和區(qū)，P管的閾值電壓VTHP在420mV左右要保證VSGP>VTHP，要求VDD-Vb>VTHP，于是需要Vb<680mV，設(shè)置直流偏置Vb=450mV；由于PM2是作為恒流源，所以其L不能太小，設(shè)置L=600n,此時可通過仿真查看直流工作點，觀察到PM2漏極電壓超過1V，工作在線性區(qū)，增大PM2、PM0、PM1、NM0、NM1的寬長比，使得PM2工作在飽和區(qū)。調(diào)節(jié)的過程中發(fā)現(xiàn)到一定程度后再調(diào)節(jié)寬長比影響不大但并未到達(dá)要求，調(diào)節(jié)輸入直流偏置至200mV，PM2工作在飽和區(qū)且流經(jīng)PM2的電流大于1mA；②調(diào)節(jié)PM0、PM1、NM0、NM1使得第一級增益在20dB左右：第二級：①調(diào)節(jié)電阻R0和電容C0，使第二級輸出的3dB帶寬大于20MHz；同時跟蹤觀察相位裕量，使其大于60度，增大電容C0可以增加相位裕量；②將PM3管L設(shè)成600n并增大其寬長比，同時減小NM2的寬長比可提高增益，調(diào)節(jié)使增益帶寬都滿足條件；PM2PM3PM0PM1NM0NM1NM2250u/600n150u/600n150u/100n150u/100n75u/100n75u/100n75u/100nR0=250ΩC0=300fF;V0=450mV;V2=200mV;對照原理圖如下：仿真設(shè)置好仿真參數(shù)如下：進(jìn)行仿真仿真結(jié)果：1〕增益和帶寬：從圖上可以得出最大增益>40dB，3dB帶寬>20MHz,符合要求；2〕相位裕量：計算結(jié)果為-117.5+180=62.5度，符合設(shè)計要求；3〕瞬態(tài)響應(yīng)：直流和交流仿真圖：從以上三圖也可以看出增益帶寬和相位裕度是符合要求的。第一級增益：可以看出第一級增益在17dB左右。直流工作點：可見各個管子都正常工作。綜上：從仿真結(jié)果來看，二級運(yùn)放設(shè)計成功。實驗心得和小結(jié)本次實驗最大的收獲就是對cadence這個軟件的操作有了更為熟悉的了解，學(xué)會了怎樣利用這款軟件去仿真并計算其帶寬、增益、相位裕量等。除此之外實驗過程中與同學(xué)和師兄的交流讓我對二級米勒運(yùn)算放大器有了更加深刻的認(rèn)識?？偟膩碚f，這次課程設(shè)計很有意義。思考題1、兩級放大器中電阻R的作用？取多大比擬適宜？答：電阻R可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)移函數(shù)的零點位置，進(jìn)行零極點補(bǔ)償，調(diào)節(jié)R可以調(diào)節(jié)帶寬和相位裕量；R不宜過大也不宜過小，取百歐量級比擬適宜。兩級放大器中米勒電容C的作用？取多大比擬適宜？答：米勒電容C0用于相位補(bǔ)償，調(diào)節(jié)C0可以