北大集成电路原理与设计之三：集成电路设计实习课件03-1模拟单元电路设计-差分放大器电路设计

2011-2012AllrightsreservedInstituteofMicroelectronicsPekingUniversity集成电路设计实习IntegratedCircuitsDesignLabs单元实验三（第一次课）模拟电路单元实验－差分放大器电路设计InstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page1实验内容、实验目的、时间安排实验内容：设计差分放大器对电路进行直流、交流、瞬态分析目的：掌握模拟集成电路单元模块的设计分析方法时间安排：一次课完成差分放大器的电路设计InstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page2实验要求设计图示差分放大器尺寸需调整放大器性能指标要求负载电容CL=2pFVDD=5V放大管的Vdsat=200±30mV对管的m取4的倍数低频开环增益100GBW25MHzPM60共模输入范围3V功耗、面积尽量小InstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page3实验结果记录请记录如下数据各晶体管尺寸（m、W、L）各晶体管的Vdsat低频开环增益、GBW、PM直流功耗、瞬态功耗平均值及对应跳变频率转换速率（上升、下降分别记录）单位缓冲接法，输入1V跳变时，输出端的信号建立时间（20V）上升、下降分别记录实验方法，参见P5～P32InstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page4创建放大器的电路（按下列尺寸设置）MN0、MN1的尺寸M=4,W/L=2/2MN2的尺寸M=2,W/L=2/2MN3的尺寸M=1,W/L=2/2MP0、MP1的尺寸M=4,W/L=2/2vp：正输入端vn：负输入端InstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page5创建放大器的SymbolInstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page6创建Power的电路图如图创建Power的电路创建Power的SymbolView仅供仿真时调用！！！InstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page7创建放大器的仿真电路（DC/AC仿真）正输入端vp，加激励信号，DC＝2.5，ACmagnitude＝1V负输入端vn，大电阻（1G）、大电容（1F）反馈InstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page8放大器的仿真电路：I1：提供电流源C1：放大器的负载R0：1GC0：1FI2：调用PowerInstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page9常用Analyses设置Tran：瞬态DC：直流AC：交流设置完毕后运行Simulation，然后可以查看SimulationResultsInstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page10直流/交流分析设置直流分析：直流工作点交流分析：起止频率设置InstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page11Results:MOSFET的直流工作点Results-Print-DCOperatingPoints-鼠标点击元件-弹出对话框InstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page12Results:MOSFET的直流工作点该元件的功耗rds的倒数InstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page13Results:交流分析得到的增益、增益带宽积、相位裕度Results-DirectPlot-ACGains&Phase-进入SchematicViewInstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page14Results:交流分析得到的增益、增益带宽积、相位裕度View的左下角显示：Selectfirstpoint然后鼠标左键点击vout（Firstpoint为输出结点）InstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page15Results:交流分析得到的增益、增益带宽积、相位裕度firstpoint选定后，View的左下角显示：Selectsecondpoint然后鼠标左键点击vp（Secondpoint为输入结点）InstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page16Results:交流分析得到的增益、增益带宽积、相位裕度弹出图示窗口：两条曲线表示幅频特性与相频特性InstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page17Results:交流分析得到的增益、增益带宽积、相位裕度低频增益测量：在较低频率处测量幅频特性曲线的纵坐标值如图测得的低频增益为52.124dBInstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page18Results:交流分析得到的增益、增益带宽积、相位裕度增益带宽积测量：幅频特性曲线幅度为0dB时对应的频率注意：标尺很难完全定位到0dB，所以允许误差在正负50mdB以内测得增益带宽积为6.7999MHz增益带宽积InstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page19Results:交流分析得到的增益、增益带宽积、相位裕度相位裕度测量：使用B标尺在增益带宽积频率处，测相移PM(PhaseMargin)=180+Phase，图中相位裕度约88oInstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计注意：低频增益以及增益带宽积等是否达到放大器性能指标要求？如果达不到，可以修改放大器的各管子尺寸，并重新进行交流分析。Page20Results:交流分析得到的增益、增益带宽积、相位裕度InstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计查看电路元件的工作状态：Results-CircuitConditions放大管、负载管、电流镜等均应工作于饱和区开关管工作于线性区线性区：红色显示Page21Results:CircuitConditions2、图中显示1、选项设置InstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page22单位增益接法的放大器电路：输入为阶跃脉冲信号InstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page23瞬态仿真设置Analysis-Choose，弹出窗口选择精度设置Conservative：精度高Moderate：中等精度Liberal：仿真速度快InstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page24信号建立时间测试第一步：将标尺A放置于平台区靠右的区域第二步：将标尺B从A点往左移动，直到|DeltaY|20V第三步：将标尺A移动到跳变起始点，测DeltaX，即为建立时间InstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page25信号建立时间测试DeltaX，即为建立时间测得的建立时间为405.901nsInstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page26转换速率测试A点：跳变点右侧；B点：远离斜率变化区域测得转换速率为10.0975MV/secInstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page27功率测试（保存Power信号的设置）Outputs-SaveAll…-弹出SaveOptions窗口-如下设置InstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page28功率测试（瞬态功耗平均值）Tools-ResultsBrowser-弹出窗口中点击OK在ResultsBrowser中Schematic-psf-Run1-tran-tran-I10-pwr-双击鼠标I10单元的功耗InstituteofMicroelectronics,PekingUniversityCopyright©2011-2012集成电路设计实习－单元实验三模拟单元电路设计Page29功率测试（瞬态功耗平均值）双击鼠标后弹出Calculator窗口选择SpecialFunctions-Average，然后点击Print平均功耗为：111.529WInstituteofMicroe