cmos模拟集成电路设计-实验报告.docx

北 京 邮 电 大 学实 验 报 告实验题目： cmos模拟集成电路实验 姓 名： 何明枢 班 级： 2013211207 班内序号： 19 学 号： 2013211007 指导老师： 韩可 日 期： 2016 年 1 月 16 日 星期六目录实验一:共源级放大器性能分析1一、实验目的1二、实验内容1三、实验结果1四、实验结果分析3实验二:差分放大器设计4一、实验目的4二、实验要求4三、实验原理4四、实验结果5五、思考题6实验三：电流源负载差分放大器设计7一、实验目的7二、实验内容7三、差分放大器的设计方法7四、实验原理7五、实验结果9六、实验分析10实验五：共源共栅电流镜设计11一、实验目的11二、实验题目及要求11三、实验内容11四、实验原理11五、实验结果15六、电路工作状态分析15实验六：两级运算放大器设计17一、实验目的17二、实验要求17三、实验内容17四、实验原理21五、实验结果23六、思考题24七、实验结果分析24实验总结与体会26一、实验中遇到的的问题26二、实验体会26三、对课程的一些建议27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custom designer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、实验内容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、实验电路图2、幅频特性曲线电阻为1k时电阻为10k时四、实验结果分析1、器件参数： NMOS管的宽长比为10，栅源之间所接电容1pF，电阻Rd=10K。NMOS管的宽长比为10，栅源之间所接电容1pF，电阻Rd=10K。2、实验结果：输入交流电源电压为1.2V，所得增益为12dB。由仿真结果有：gm=496u，R=10k，所以增益Av=496*10/1000=4、96=13、91 dB可见，实际增益大于理论增益。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；4、手工计算场效应管的直流转移特性曲线，并将特性曲线描绘在方格纸上，在曲线上确定出MOS管的饱和区，确定输入电压、输出电压的范围；5、电压放大倍数大于20dB，尽量增大GBW，设计差分放大器；6、对所设计电路调试；7、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： 1= 2= =nCOX(W/L)四、实验结果1、电路图2、幅频特性曲线3、MOS管宽长比和电阻大小变化对应的放大倍数放大倍数Av/dBMOS管沟道宽长比101520304060电阻R/20k15.616.416.817.317.71830k1919.820.220.821.121.440k21.422.222.623.123.423.8改变W/L和栅极电阻，可以看到，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，增益也增加。但从仿真特性曲线我们可以知道，这会限制带宽，所以在增大沟道宽长比的时候，要注意带宽是否满足条件。随着W/L增大时，带宽会下降。为保证带宽， 选取W/L=60，R=30k的情况下的数值，最终实现了带宽约为200MHz-300MHZ，可以符合系统的功能特性。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VDDVd=VinVTH，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。二、实验内容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、差分放大器的设计方法1、确定放大电路（选择场效应管）2、手工计算场效应管的直流转移特性曲线，并将特性曲线描绘在方格纸上，在曲线上确定出MOS管的饱和区，确定输入电压、输出电压的范围。3、确定静态工作点Q。4、确定电路中的其他参数。5、调整静态工作点：可以修改场效应管的W。四、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VGS1=5倍的特征尺寸。综上所述，版图设计中取2、 验证直流工作点MNB：二极管连接确保它工作于饱和区。MN3：工作于临界饱和工作区。MN1、MN2：当,它们工作于临界饱和区；当减小时，减小且增大，使它 们工作在过饱和区。MN4：要使MN4管工作于饱和区，则：而,显然上式成立。即MN4工作于饱和区。五、实验结果1、电路图六、电路工作状态分析从图中可以看出MOS管的工作参数分别为MOS1MOS2MOS3MOS4Id0.829422m0.831468m0.834463m0.834463mVgs0.568761v0.5421750.553177v0.553177vVds0.225451v2.90201v0.354312v0.354312v从数据中可以看出MOS管1/3/4分别工作在临界饱和状态，2工作在饱和状态，满足实验的要求。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。设计一个COMS两级放大电路，满足以下指标：AV=5000V/V（74dB） VDD=2.5V VSS=-2.5VGB=5MHz CL=5pf SR10V/us 相位裕度=60度VOUT范围=-2,2V ICMR=-12V Pdiss=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要求60的相位裕量，假设RHP零点高于10GB以上所以 即 由于要求的相位裕量，所以可得到=2.2pF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 （4）在最小输入情况下，考虑M5处在饱和区，有 （5）而电路的一些基本指标有 （6） （7）GB是单位增益带宽P1是3DB带宽GB= （8） （9）CMR: 正的CMR (10) 负的CMR (12)由电路的压摆率得到=(3*10-12)()10*106)=30A(为了一定的裕度，我们取。)则可以得到，下面用ICMR的要求计算(W/L)311/1所以有=11/1由，GB=5MHz，我们可以得到即可以得到 用负ICMR公式计算由式（12）我们可以得到下式如果的值小于100mv，可能要求相当大的，如果小于0，则ICMR的设计要求则可能太过苛刻，因此，我们可以减小或者增大来解决这个问题，我们为了留一定的余度我们等于-1.1V为下限值进行计算则可以得到的进而推出即有为了得到60的相位裕量，的值近似起码是输入级跨导的10倍（allen书p.211例6.2-1），我们设，为了达到第一级电流镜负载（M3和M4）的正确镜像，要求，图中x，y点电位相同我们可以得到进而由我们可以得到直流电流同样由电流镜原理，我们可以得到四、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。 极点分裂与Cc变化五、实验结果1、电路图2、幅频特性曲线3、静态工作点 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，下方两nmos管（图中1,2）的漏端注入电压相等，由此，Iout是Iin的精确复制，即使上方两mos管（图中0,3）的输入电压发生变化，对1,2而言，变化量近似相等，因此IoutIin。即通过共源共栅级屏蔽了输出电压变化的影响。以降低输出摆幅为代价，提高了输出电阻：各管子均处于饱和或临界饱和的状态。七、实验结果分析在本次设计中采用了密勒补偿，但在包含密勒补偿的电路中会产生一个离原点很近的零点，位于 这是由于Cc+CGD6形成从输入到输出的回路。这个零点大大降低了电路的稳定性。本次设计中我们增加一个与补偿电容串联的电阻，从而改善零点的频率，引入的电阻为RZ，零点的频率可表示为 ，将此零点移到左半平面来消除第一非主极点，满足的条件为选定合适的CL与CC，在程序中读出gm6的值，就可以计算出RZ的值。但是电阻过大会带来更大的热噪声，还会使时间常数更大，而电路的GB随CC的增大而减小，这里就涉及到电阻RZ电容CC 和gm6的折衷。经过反复尝试，我们找到了一组比较合适的数据，其中CC=3p ，RZ=60k，GB和电路的稳定性均比较好的达到了要求。实验总结与体会一、实验中遇到的的问题1、创建目录命令输入问题打开终端窗口创建目录的时候，创建目录的第三行有三个空格，第三个空格在*和.中间，所以第一次创建的时候忽略了，没有认真阅读讲义，在阅读讲义以后发现了这个问题并解决；2、MOS管设置时的名称问题NMOS和PMOS管在设置时不能使用默认的NMOS和PMOS，要换成对应的N和P在仿真的时候才不会报错；3.绘制幅频特性曲线问题在绘制幅频特性曲线时，设置输入和输出端口的时候总是设置不正确，输出的图形总出问题，在助教老师的帮助下才解决了问题，主要还是操作不熟练的问题，并且讲义没有认真的阅读。4.元件参数设置问题：从电路中的电阻阻值的大小设计、以及MOS管的沟道长宽比设定、理论值和实际仿真出的结果总是会有很大的不同，尤其是MOS管沟道长宽比上，总是要反复调整很多次才可以得到想要的结果，这也反映出平时理论学习还不是十分的深刻，计算的时候考虑不够完全。二、实验体会在这次实验中，我们学会了Synopsys软件的使用和仿真过程，了解了一种新的模拟集成电路设计的方法，对我们以后的设计很有帮助。在后续的实验中，每个小实验都是设计一种特定功能的MOS管电路，实验中会给我们电路原理图，并通过自己计算及之前设计的一些经验，设计确定电路中期间的参数值，当然往往进行电路仿真时总是会和理想的结果出现一些偏差，这就需要耐心下来去修改电路的参数，最终完成实验要求。通过实验不仅锻炼了我们实际去设计电路的问题，同时也帮助我们理解了平时理论课学习的知识，发现了很多理论学习不足的地方，尤其是在电路元件参数设计的时候，实验与理论结合学习的方式更利于