北邮_模拟集成电路设计_期末实验报告

北京邮电大学电子工程学院1模拟CMOS集成电路课程实验报告姓名：杨珊指导老师：韩可学院：电子工程班级：2013211204学号：2013210926北京邮电大学电子工程学院2实验一:共源级放大器性能分析一、实验目的1、掌握synopsys软件启动和电路原理图（schematic）设计输入方法；2、掌握使用synopsys电路仿真软件customdesigner对原理图进行电路特性仿真；3、输入共源级放大器电路并对其进行DC、AC分析，绘制曲线；4、深入理解共源级放大器的工作原理以及mos管参数的改变对放大器性能的影响二、实验要求1、启动synopsys，建立库及Cellview文件。2、输入共源级放大器电路图。3、设置仿真环境。4、仿真并查看仿真结果，绘制曲线。三、实验结果1、电路图北京邮电大学电子工程学院32、幅频特性曲线当R=1K,当R=10K,北京邮电大学电子工程学院4四、实验结果分析器件参数：NMOS管的宽长比为10，栅源之间所接电容1pF。实验结果：当Rd=1K时，gm=2735.7u,Av=2.73.当Rd=10k时，gm=173.50u,Av=1.73.由此可知，当R增大时，放大器的性能下降。实验二:差分放大器设计一、实验目的1.掌握差分放大器的设计方法；2.掌握差分放大器的调试与性能指标的测试方法。二、实验要求1.确定放大电路；2.确定静态工作点Q；3.确定电路其他参数。北京邮电大学电子工程学院54.电压放大倍数大于20dB，尽量增大GBW，设计差分放大器；5.对所设计电路调试；6.对电路性能指标进行测试仿真，并对测量结果进行验算和误差分析。三、实验原理平衡态下的小信号差动电压增益AV为：β1=β2=β=μnCOX(W/L)四、实验结果(表中数据单位dB)，R单位：kΩW/LR5101520100K27dB28dB28dB28dB120K27dB27dB28dB29dB300K18dB19dB20dB20dB通过表格可知，改变W/L和栅极电阻，当R一定时，随着W/L增加，增益增加，W/L一定时，随着R的增加，增益也减少。但是由于带宽的限制，我们不能无限地增大W/L.为保证带宽,选取W/L=30，R=30K的情况下的数值，保证了带宽约为300MHZ，可以符合系统的功能特性,实验结果见下图。SSVSSDDIA=βIR=2β()R2北京邮电大学电子工程学院61.电路图2.幅频特性曲线北京邮电大学电子工程学院7五、思考题根据计算公式，为什么不能直接增大R实现放大倍数的增大？答：若直接增加Rd，则Vd会增加，增加过程中会限制最大电压摆幅；如果VDD—Vd=Vin—VTH，那MOS管处于线性区的边缘，此时仅允许非常小的输出电压摆幅。即电路不工作。此外，RD增大还会导致输出结点的时间常数更大。实验三：电流源负载差分放大器设计一、实验目的1.掌握电流源负载差分放大器的设计方法；2.掌握差分放大器的调试与性能指标的测试方法。北京邮电大学电子工程学院8二、实验要求1.设计差分放大器，电压放大倍数大于30dB；2.对所涉及的电路进行设计、调试；3.对电路性能指标进行测试仿真，并对测量结果进行验算和误差分析。三、实验原理电流镜负载的差分对传统运算放大器的输入级一般都采用电流镜负载的差分对。如上图所示。NMOS器件M1和M2作为差分对管，P沟道器件M4，M5组成电流源负载。电流0I提供差分放大器的工作电流。如果M4和M5相匹配，那么M1电流的大小就决定了M4电流的大小。这个电流将镜像到M5。如果VGS1=VGS2，则Ml和M2的电流相同。这样由M5通过M2的电流将等于是IOUT为零时M2所需要的电流。如果VGS1VGS2，由于I0=ID1+ID2，ID1相对ID2要增加。ID1的增加意味着ID4和ID5也增大。但是，当VGS1变的比VGS2大时，ID2应小。因此要使电路平衡，IOUT必须为正。输出电流IOUT等于差分对管的差值，其最大值为I0。这样就使差分放大器的差分输出信号转换成单端输出信号。反之如果VGS1VGS2，将变成负。假设M1和M2差分对总工作在饱和状态，则可推导出其大信号特性。描述大信号性能的相应关系如下：式(7-1)中，VID表示差分输入电压。上面假设了M1和M2相匹配。将式(7-1)代入(7-2)中得到一个二次方程，可得出解。北京邮电大学电子工程学院9上图是归一化的M1的漏电流与归一化差分输入电压的关系曲线，也即是CMOS差分放大器的大信号转移特性曲线。该放大器的小信号特性参数等效跨导从图2可以看出，在平衡条件下，M2和M5的输出电阻分别为：于是该放大器的电压增益为：四，实验结果（表中数据单位：dB）W/L（N）W/L（P）40506070529dB30dB30dB31dB1035dB36dB37dB37dB1536dB37dB37dB38dB选择nmos(w/L)=50,pmos(w/L)=10数据作为结果：由结果曲线可知，此放大器的使用频率范围需要严格控制，当f增大到一定值时，增益下降速率很快。1.电路图北京邮电大学电子工程学院102.幅频特性曲线北京邮电大学电子工程学院11实验五：共源共栅电流镜设计一、实验目的熟悉软件的使用，了解Cadence软件的设计过程。掌握电流镜的相关知识和技术，设计集成电路实现所给要求。二、实验要求1.低输出高压高输出电阻的电流镜设计；2.电流比1:1；3.输出电压最小值0.5V；4.输出电流变化范围5~1000uA。三、实验内容1.确定（W/L）1、（W/L）2、（W/L）3、(W/L)4和沟道长度L2.验证直流工作点3.仿真验证四、实验结果1.电路图北京邮电大学电子工程学院12由图可知，i6=104.6u,idc=100u,所以idc:i6≌1:1,大致符合电流镜的设计要求。且Vmin=0.529.实验六：两级运算放大器设计一、实验目的熟悉软件的使用，了解synopsys软件的设计过程。掌握电流镜的相关知识和技术，设计集成电路实现所给要求。二、实验要求单级放大器输出对管产生的小信号电流直接流过输出电阻，因此单级电路的增益被抑制在输出对管的跨导与输出阻抗的乘积。在单级放大器中，增益是与输出摆幅相矛盾的。要想得到大的增益我们可以采用共源共栅结果来极大的提高出阻抗的值，但是共源共栅中堆叠的MOS管不可避免的减少了输入电压的范围。因为多一层管子至少增加一个对管子的过驱动电压。这样在共源共栅结构的增益与输出电压矛盾。为了缓解这种矛盾引入两级运放，在两级运放中将这两个点在不同级实现。如本设计中的两级运放，大的增益靠第一级与第二级级联而组成，而大的输出电压范围靠第二级的共源放大器来获得。北京邮电大学电子工程学院13设计一个COMS两级放大电路，满足以下指标：AV=5000V/V（74dB）VDD=2.5VVSS=-2.5VGB=5MHzCL=5pfSR10V/us相位裕度=60度VOUT范围=[-2,2]VICMR=-1~2VPdiss=2mW三、实验内容确定电路的拓扑结构：图中有多个电流镜结构，M5,M8组成电流镜，流过M1的电流与流过M2电流ID1,2=ID3,4=1/2*ID5，同时M3，M4组成电流镜结构，如果M3和M4管对称，那么相同的结构使得在x，y两点的电压在Vin的共模输入范围内不随着Vin的变化而变化，为第二极放大器提供了恒定的电压和电流。图1所示，Cc为引入的米勒补偿电容。利用表1、表2中的参数北京邮电大学电子工程学院14计算得到第一级差分放大器的电压增益为：第二极共源放大器的电压增益为所以二级放大器的总的电压增益为相位裕量有111121180tan()tan()tan()60MGBGBGBppz要求60°的相位裕量，假设RHP零点高于10GB以上11102tan()tan()tan(0.1)120vGBAp102tan()24.3GBp所以22.2pGB即622.2()mmLcggCC由于要求60的相位裕量，所以626210()10mmmmccggggCC可得到2.20.2210LcLCCC=2.2pF北京邮电大学电子工程学院15因此由补偿电容最小值2.2pF，为了获得足够的相位裕量我们可以选定Cc=3pF考虑共模输入范围：在最大输入情况下，考虑M1处在饱和区，有3131(max)(max)DDSGnICnTNICDDSGTNVVVVVVVVVV（4）在最小输入情况下，考虑M5处在饱和区，有1515(min)(min)ICSSGSDsatICSSGSDsatVVVVVVVV（5）而电路的一些基本指标有11mvCgpAC（6）62mLgpC（7）61mCgzC（8）1mCgGBC（9）CMR:正的CMR5in313()()DDTTIVVV（最大）=V最大最小(10)负的CMR5in151()()SSTDSIVVV（最小）=V最大饱和(12)由电路的压摆率5dCISRC得到5dI=(3*10-12)()10*106)=30μA(为了一定的裕度，我们取40irefA。)则可以得到，1,23,45/220dddIIIA下面用ICMR的要求计算(W/L)3GB是单位增益带宽P1是3DB带宽GB=1pAv北京邮电大学电子工程学院1653'2331()()[]DDSGTNIWLKVVV11/1所以有3()WL=4()WL=11/1由1mCgGBC，GB=5MHz，我们可以得到6121510231094.2mgs即可以得到2m112'1g(/)(/)2/12NWLWLKI用负ICMR公式计算5DsatV由式（12）我们可以得到下式15(min)ICSSGSDsatVVVV如果5DSV的值小于100mv，可能要求相当大的5(/)WL，如果5DsatV小于0，则ICMR的设计要求则可能太过苛刻，因此，我们可以减小5I或者增大5(/)WL来解决这个问题，我们为了留一定的余度我们(min)ICV等于-1.1V为下限值进行计算152511(min)DsatICTNSSIVVVV（）则可以得到的5DsatV进而推出555'2552(/)()DsatSWLKV（I）11/1即有58(/)(/)11/1WLWL为了得到60°的相位裕量，6mg的值近似起码是输入级跨导1mg的10倍（allen书p.211例6.2-1），我们设6110942mmggs，为了达到第一级电流镜负载（M3和M4）的正确镜像，要求46SGSGVV，图中x，y点电位相同我们可以得到6644(/)(/)64/1mmgWLWLg进而由6662(/)mPdgKWLI我们可以得到直流电流北京邮电大学电子工程学院1722m6m667''6666gg113.72(/)2ddIIAKWLKS同样由电流镜原理，我们可以得到7755(/)(/)32/1ddIWLWLI四、实验原理电路结构:最基本的COMS二级密勒补偿运算跨导放大器的结构如图所示。主要包括四部分：第一级输入级放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。两级运放电路图相位补偿:电路有至少四个极点和两个零点，假定z2、p3、p4以及其它寄生极点都远大于GBW，若不考虑零点z1，仅考虑第二极点p2，那么这是一个典型的两极点决定的系统。为保证系统稳定，通常要求有63°左右的相位裕度，即保持频率阶跃响应的最大平坦度以及较短的时间响应。但在考虑z1之后，这个右半平面（RHP）的零点在相位域上相当于左半平面（LHP）的极点，所以相位裕度会得到恶化。同时如果为了将两个极点分离程度增大，则补偿电容Cc就要增大，这也会使得零点减小，进一步牺牲相位裕度，如图所示。北京邮电大学电子工程学院18极点分裂与Cc变化五、实验结果1.电路图北京邮电大学电子工程学院192.幅频特性曲线六、思考题分析此类电流镜优点，并说明原因。答：1.获得了较高的精度：在本电路中，由于电路结构特点