二阶运算放大器设计大作业

模拟CMOS集成电路实验报告课程名称：模拟CMOS集成电路实验设计题目：二阶运算放大器的设计与仿真院系：班级：设计者：学号：设计要求：设计二阶运算放大器，完成电路图的设计与仿真。设计准备：熟悉linux客户端的基本文件操作，掌握Cadence公司的Spectre仿真器的基本操作指令。能够使用spectre软件进行电路的交流、直流和瞬态仿真，并能根据仿真之后的结果来调整自己的设计参数，来得到更好的器件性能。设计过程：第一级运算放大器采用差动式共源放大器，提供比较大的增益，第二级运算放大器采用共源共栅结构提供比较大的输出摆幅。并且采用米勒电容补偿来进行频率补偿。一.电路图部分启动cadence的设计环境平台，建立library，设置激励源，进行电路的仿真电路原理图运算放大器设计指标：工作电源工作范围5V增益带宽5MHz输出摆幅10V/us相位裕度60º输出摆幅0.5~4.5V共模输入范围0.5~4.5V功耗2mW增益4000V/V（72dB）MOS管工艺相关数据为2211110/,50/,0.04,0.04,0.2noxpoxnpuCuAVuCuAVVV根据设计指标，选择一个简单放大器与一个共源共栅放大器级联的结构设计开实现所需的电路。运算放大器的小信号增益为计算过程附在报告之后，为手写版本。经过计算，得到理论的MOS管尺寸(采用最小线宽为1um)器件名称W(um)L(um)M121M221M351M451M5151M6351M7511Cc3pfSchematic实际电路图：仿真电路图激励源参数：共模输入ip：ACmagnitude：1VACphase：0VDCvoltage：vbiasVOffsetvoltage：vbiasVAmplitude：vaVfrequency：f0Hzin：ACmagnitude：-1VACphase：0VDCvoltage：vbiasVOffsetvoltage：vbiasVAmplitude：-vaVfrequency：f0Hz参数设置：vpower=5Vvbias=2.4Vva=20uVf0=500Hz首先进行了瞬态仿真，得到了输出波形。从输出波形可以看出，输出波形的峰谷差达到了(4.02-3.83)=0.2V,而输入为20uv，增益达到了10000左右。然后进行ac交流仿真，对于输入波形的频率进行了扫描，频率从1Hz到1GHz以20Hz为间隔进行仿真，输出波形如下图，可以看出在频率达到200Hz时增益出现了下降的趋势，带宽较低。在下方输出波形的波特图中，可以看出增益达到了78dB，相位裕度为(180º-128º)=52º,基本达到了设计要求（由于图像过大压缩有损失，在报告后面附完整的图像）。仿真过程中，放大器的放大倍数达到了要求，但是相位裕度一直维持在45º，经过调整参数达到了最终的结果，调整后器件的参数为（红色的为修改的数据）。器件名称W(um)L(um)M121M221M351M451M5151M6351M7451Cc6pf实验结论：本次运算放大器电路设计中，我们首先根据老师提供的数据进行了器件参数的计算，并经过验证，满足了对于放大器的要求，计算得到增益为80dB，相位裕度为60º，共模输入范围0.269V～4.52V,功耗为1.17mV。在实际仿真过程中，通过直流、交流、瞬态仿真，得到相应的瞬态输出曲线、增益相位曲线和频率扫描曲线，发现由于使用的工艺参数与计算中的并不相同，出现了增益和相位裕度增益带宽积均变小的情况，通过后期调整参数，使各项指标都更接近设计要求，但是和要求还是有相应的差距。最终得到增益为78dB，相位裕度为52º，基本符合了设计要求。三．如果要求Av至少提高为原来的2倍，其它要求不变，如何修改电路（注意讨论对其它性能参数的影响）？使Av提高为原来的两倍，首先由增益公式得26523667262236672423676pOX62OX22626232/I()()/I()()1/()()1/2/(CS)2/(CS)2ummmmODODnnpOXAggIggIVVIISSCII通过增益的表达式可知，可以通过降低I5、I6，或者增大M1（M2）、M6的尺寸。如果M1、M6尺寸增大为原来的两倍，I2和I6保持不变，则1112(/L)mnOXgICW增大，由p11C(0)/CVmGBAg可知增益带宽积就会增大，但由于增益增大倍数大，所以1p减小。由6666/(2)mIgKS可知将会增大，66pOX62/(C(W/L))ODVI减小，,6OUTMAXODVVDDV增大，满足要求。由于6644/ISIS，所以4S也应该增大为原来的两倍，4442/(/)ODpOXVICWL减小，即3GSV减小。满足要求。四．如果要求增益带宽积GB提高为原来的2倍，其它要求不变，如何修改电路（注意讨论对其它性能参数的影响）？注意事项：尾电流增加，各个器件尺寸不变的话，I3和I1增加，gm3和gm1增大，但增大倍数小，gm6增大，I6增大，最终可由下面的公式推出，放大倍数下降。26523667262236672423676pOX62OX22626232/I()()/I()()1/()()1/2/(CS)2/(CS)2ummmmODODnnpOXAggIggIVVIISSCII仿真网表：//Generatedfor:spectre//Generatedon:Jun612:35:102015//Designlibraryname:lab1//Designcellname:cut_amp1//Designviewname:schematicsimulatorlang=spectreglobal0vdd!include/home/homeO1/cadence/IC5141U4/tools/dfII/samples/artist/ahdlLib/quantity.spectreparametersvpower=5vbias=2.4va=20uf0=500include/home/homeO5/user1/training/ic/spice_labs/spice_model/sm046005-1j.scssection=typical//Libraryname:lab1//Cellname:amp1//Viewname:schematicsubcktamp1VoutinipvcnCl(Vout0)capacitorc=10pCc(Voutnet034)capacitorc=6pM4(Voutnet034vdd!vdd!)pmos_3p3w=35ul=1uM2(net6net6vdd!vdd!)pmos_3p3w=5ul=1uM1(net034net6vdd!vdd!)pmos_3p3w=5ul=1uM3(net6ipnet0630)nmos_3p3w=2ul=1uM6(net063vcn00)nmos_3p3w=15ul=1uM5(Voutvcn00)nmos_3p3w=45ul=1uM0(net034innet0630)nmos_3p3w=2ul=1uendsamp1//Endofsubcircuitdefinition.//Libraryname:lab1//Cellname:cut_amp1//Viewname:schematicM0(net012net01200)nmos_3p3w=100ul=2uI4(vdd!net012)isourcedc=60utype=dcV3(net110)vsourcedc=vbiasmag=-1type=sinesinedc=vbiasampl=-va\freq=f0V2(in0)vsourcedc=vbiasmag=1type=sinesinedc=vbiasampl=vafreq=f0V0(vdd!0)vsourcedc=vpowertype=dcI0(outinnet11net012)amp1simulatorOptionsoptionsreltol=1e-3vabstol=1e-6iabstol=1e-12temp=27\tnom=27scalem=1.0scale=1.0gmin=1e-12rforce=1maxnotes=5maxwarns=5\digits=5cols=80pivrel=1e-3ckptclock=1800\sensfile=../psf/sens.outputchecklimitdest=psftrantranstop=20merrpreset=conservativewrite=spectre.ic\writefinal=spectre.fcannotate=statusmaxiters=5finalTimeOPinfowhat=oppointwhere=rawfileacacstart=1stop=1Gdec=20annotate=statusdcOpdcwrite=spectre.dcmaxiters=150maxsteps=10000annotate=statusdcOpInfoinfowhat=oppointwhere=rawfiledcdcparam=vbiasstart=0stop=5step=0.001oppoint=rawfilemaxiters=150\maxsteps=10000annotate=statusmodelParameterinfowhat=modelswhere=rawfileelementinfowhat=instwhere=rawfileoutputParameterinfowhat=outputwhere=rawfiledesignParamValsinfowhat=parameterswhere=rawfileprimitivesinfowhat=primitiveswhere=rawfile