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毕业设计论文
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单极cmos放大电路的设计与仿真,毕业设计论文
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1 集成电路课程设计报告 单 级 CMOS放大电路的设计与仿真 院 系： 专 业： 学 号： 姓 名： 指导教师： 报告提交日期： 目 录 摘要 nts 2 1 关键词 2 1 引言 2 2 CMOS放大电述 2 2.1 MOS管介绍 3 2.2 MOS管特性分析 5 3 设计与仿真 9 3.1 设计 9 3.1.1 电路设计 9 nts 3 3.1.2 结果分析 10 3.2 仿真 12 3.2.1 技术支持 1 2 3.2.2 仿真 与结果分析 1 2 4 结论 1 7 5 体会与展望 17 参考文献 1 8 致谢 1 6 附nts 4 录 1 7 单 级 CMOS 放大电路的设计与仿真 摘 要： 本文给出单级 CMOS 放大电路的结构组成和工作原理， 电路结构，参数的分析过程。 并对其主要组成部分 MOS 管进行了各种分析和放大电路的分析和仿真。 关键词： 单级 CMOS放大电路，设计与仿真， Pspice10.5. Design and Simulation of The single-stage CMOS Amplifier Circuit Abstract ： This article has produced single-stage CMOS amplifier circuit composed of the structure and working principle, the electric circuit structure and the parameter analysis process. And its major component of the CMOS transistors to analysis and amplification circuit analysis and simulation. Key words: single-stage CMOS amplifier circuit Design and simulation Pspice10.5 nts 5 1. 引言 在大多数模拟电路和数字电路中，放大是一个基本的功能。我们放大一个模拟或数字信号，是因为这个信号太小而不能驱动负载，不能克服后继的噪声或者是不能为数字电路提供逻辑电平。放大是最基本的 模拟信号处理功能，它是通过放大电路实现的，大多数模拟电子系统中都应用了不同类型的放大电路。放大电路也是构成其他模拟电路，如滤波、振荡、稳压等功能电路的基本单元电路。放大是最基本的模拟信号处理功能，它是通过放大电路实现的，大多数模拟电子系统中都应用了不同类型的放大电路。放大电路也是构成其他模拟电路，如滤波、振荡、稳压等功能电路的基本单元电路。 放大是最基本的模拟信号处理功能，它是通过放大电路实现的，大多数模拟电子系统中都应用了不同类型的放大电路。放大电路也是构成其他模拟电路，如滤波、振荡、稳压等功能电路的基本单 元电路 1。 电子技术里的 “放大 ”有两方面的含义：一是能将微弱的电信号增强到人们所需要的数值（即放大电信号），以便于人们测量和使用；检测外部物理信号的传感器所输出的电信号通常是很微弱的，例如前面介绍的高温计，其输出电压仅有毫伏量级，而细胞电生理实验中所检测到的细胞膜离子单通道电流甚至只有皮安（ pA,10-2A）量级。对这些能量过于微弱的信号，既无法直接显示，一般也很难作进一步分析处理。通常必须把它们放大到数百毫伏量级，才能用数字式仪表或nts 6 传统的指针式仪表显示出来。若对信号进行数字化处理，则须把信号放 大到数伏量级才能被一般的模数转换器所接受。二是要求放大后的信号波形与放大前的波形的形状相同或基本相同，即信号不能失真，否则就会丢失要传送的信息，失去了放大的意义。某些电子系统需要输出较大的功率，如家用音响系统往往需要把声频信号功率提高到数瓦或数十瓦。而输入信号的能量较微弱，不足以推动负载，因此需要给放大电路另外提供一个直流能源，通过输入信号的控制，使放大电路能将直流能源的能量转化为较大的输出能量，去推动负载。这种小能量对大能量的控制作用是放大的本质。 由 NMOS 管和 PMOS 管组成的互补放大电路称为 CMOS 放大 电路。它具有电压增益高，输出电压变化范围宽等特点 2。 2 MOS 晶体管 概述 首先介绍一下场效应晶体管 场效应晶体管（ FET）简称场效应管，它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高 噪声小功耗低二次击穿现象安全工作区域宽等优点，现已成为双机型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。 场效应管分为结型，绝缘栅型两大类。结型场效应晶体管（ JFET）因有两个 PN 结而得名，绝缘栅型场效应晶体管（ JGEFT）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。目前在绝缘栅型场效应晶体管中，应用最为广泛的是 MOS 场效应管。按半导体材料的不 同，结型和绝缘栅型各分为 N 沟道和 P 沟道两种。若按导电方式来划分，场效应管又nts 7 可分为耗尽型和增强型。结型场效管均为耗尽型，绝缘栅型场效应晶体管既有耗尽型也有增强型的 3。 MOS 场效应管即金属 -氧化物 -半导体型场效应管，英文缩写为MOSFET（ Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor），属于绝缘栅型。其主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层，因此具有很高的输入电阻（最高可达 1015）。它也分 N 沟道管和 P 沟道管，符号如图 1 所示。通常是将衬底 （基板）与源极 S 接在一起。根据导电方式的不同， MOSFET 又分增强型、耗尽型。所谓增强型是指：当 VGS=0 时管子是呈截止状态，加上正确的 VGS后，多数载流子被吸引到栅极，从而 “增强 ”了该区域的载流子，形成导电沟道。耗尽型则是指，当 VGS=0 时即形成沟道，加上正确的 VGS时，能使多数载流子流出沟道，因而 “耗尽 ”了载流子，使管子转向截止 3。 N 沟道 P 沟道 图 1 MOS 管的符号 以 N 沟道为例，它是在 P 型硅衬底上制成两个高掺杂浓度的源扩散区 N+和漏扩散区 N+，再分别引出源极 S 和漏极 D。源极与衬底nts 8 在内部连通，二者总保持等电位。图 1 符号中的前头方向是从外向电，表示从 P 型材料（衬底）指身 N 型沟道。当漏接电源正极，源极接电源负极并使 VGS=0 时，沟道电流（即漏极电流） ID=0。随着 VGS逐渐升高，受栅极正电压的吸引，在两个扩散区之间就感应出带负电的少数载流子，形成从漏极到源极的 N 型沟道，当 VGS 大于管子的开启电压 VTN（一般约为 +2V）时， N 沟道管开始导通，形成漏极电流 ID。 下面对 IRF150N 沟道增强型 MOSFET 的特性进行分析 图 2 MOS 管特性分析 IRF150 器件的参数 Vth=2.831v 3.1 电压增益 电压增益是指输出电压和输入电压的比值 ,即电压放大倍数 nts 9 图 3 低频电压增益 低频电压增益21 iiOV VV VA ，由图可知在低频段 小于 100KHZ时，低频电压增益 大约为 29，当高于 100KHZ时增益急剧减少。 3.2 输出电阻 R 输出电阻是表明放大电路带负载的能力， R 大，表明放大电路带负载的能力差，反之则强。 nts 10 图 4 输出电阻 由图可 见，输出电阻在低频 时 是 485K,是大电阻，故电路 负载的能力较差。 3.3 上限截止频率 图 5 上限截止频率 nts 11 输出电阻 R变化对上限截止频率的影响 图 6 上限截止频率 与输出电阻关系 由图 6可知，输出电阻 R变化对上限截止频率的影响较大， R越大，上限截止频率越大。 3.1. 放大电路设计 CMOS 单级放大电路有两个电流源，四个 MOS 管组成，图形如下： nts 12 图 7 CMOS 放大电路 如图所示，电路的电压增益 )/(211 dsdsmSOVS rrgVVA ，其中， M1，M2 两管输出电阻 rds1， rds2 与静态工作电流 IDQ有关， IDQ越小，其阻值越大。 M1管跨导 gml 与它的 W/L 成正比，因此，适当地减小工作电流 IDQ1=IDQ2，加大 M1 管的 W/L 可以提高电压增益，现取 M4 的W/L=8/100， M1 的 W/L=60/4，其他参数不变，对电路进行类似的分析，可得 VGG=1.570V， ID1=ID2=117mA， ID3=ID4=497mA， gml=4.1110 4A/V， rds1=1/gds1=1/(3.0910-6)332 K.可 见参数修改后， gm1约有所提高， rds1和 rds2均明显增加，对电路进行交流小信号分析，得低频电压增益约为 67.4，符合要求 5。 3.2 仿真及结果分析 本文使用 OrCAD 10.5对设计的电路进行仿真。 Cadence OrCAD nts 13 10.5, 让 PCB的设计进入更细节阶段。与 PSpice结合可应用于在Allegro平台上。此套组系为一完整涵盖前端至后端、使用微软视窗平台的流程，可以供印刷电路板 (PCB) 设计师透过工具整合与程式自动化改善生产力与缩段进入市场的时间。 OrCAD 10.5 包括供设计输 入的 Orcad CaptureR ，供类比与混合讯号模拟用的 PSpiceR A/D Basics，供电路板设计的 Orcad LayoutR 以及供高密度电路板自动绕线的 SPECCTRAR 4U。新加入的 SPECCTRA，用以支援设计日益复杂的各种高速、高密度印刷电路板设计。 SPECCTRA 提供设计师一种以形状为基础的，功能强大的绕线器，可在减少使用者介入情况下完成各种复杂设计 6。 直流传输特性： 图 8. 直流传输特性 取 Rs=200 ，对电路进行直流扫描分析，得传输特性曲线如图，由图中曲线可以看出，当 VGG1 V时， M1截止， M2工作在可变电阻区，（ Id2=0,vds2=0） ,输出电压 VO=V=10V，当 1V VGG 1.91V 时，曲线nts 14 弯曲， Vo=V6时 缓慢下降，该区域内， M1 工作在饱和区，但电流 id1=id2较小， M2仍工作在可变电阻区，当 1.91V VGG2.09V 时， M1， M2两管同时工作在饱和区， VO=V6时 随 VGG的增加线形下降，曲线较徒，该区域是线形放大区；当 VGG 1.91 V 后， M1进入可变电阻区，（ M2工作 在饱和区），因而曲线随 VGG的增加而缓慢下降。很明显，为了使电路具有良好的线形放大作用，输出电压 VO 应限定在 7.8V-1.0V之间变化，既工作在上述线形放大区内 . 电压增益的频响特性 图 9. 电压增益的频响特性 取 Rs=200， 1K 和 100K 时的电压增益 Avs=vo/vs 的频幅特性曲线，如图所示，其中以符号 ， 和 标示的曲线分别是Rs=200， 1K和 100K时的结果，它们的低频增益均为 38.54，上限截止 fH 分别为 22.80MHZ， 10.98MHZ 及 1.896MHZ。表明信号源内阻 Rs的大小不影响低频增益（因为 MOS 管 M1输入电阻及大），但会明显影响高频响应特性， Rs越大，上限截止频率 fH 越底，nts 15 这是由于 M1的栅极对地存在寄生电容，该电容 和 Rs一起构成了低通网络的原因，可见，在实际应用中，信号源内阻 Rs不宜过大。 输出阻抗特性 图 10. 输出阻抗特性 电路输出阻抗特性如图，输出电阻 Ro98.84K。由于输出电阻较大，故负载能力较差 。 4 体会与展望 通过这次课程设计，加深了我对 pspice 程序应用的体会，用pspice 对电路进行仿真，遇到了很多难题，如对软件不熟练， 介绍软件的教材很多地方看不懂 ，在软件的使用方面，靠自己慢慢摸索，走了不少弯路后来通过马磊同学的帮助和指导，让我学会了不少东西，做起来也得心应手。 nts 16 5 参考文献 1 蔡明生 , 黎福海 , 许文玉 . 电子设计 M. 北京 : 高等教育出版社 , 2004. 2 童诗白 , 华成英 . 模拟电子技术基础 (第三版 )M. 北京： 高等教育出版社 , 2001. 3 阎石 . 数字电子技术基础 (第四版 )M. 北京 : 高等教育出版社 , 1998. 4 Anantha Chandrakasan. 数字集成电路 电路系统与设计 (第二版 )M. 北京 : 电子工业出版社 , 2006. 5 高文焕 , 汪蕙 . 模拟电路的计算机分析与设计 Pspice 程序应用 M. 北京 : 清华大学出版社 , 1999. 6 陈东 . OrCAD 电路设计 M. 北京 : 国防工业出版社 , 2004 7 /n.asp?id=2657 致谢 首先感谢我的指导老师 *教授，课程设计报告初稿完成后，*老师给予了悉心的指导，提出了不少改进意见，才使得该报告得到完善 其次，我要感谢 *同学，我在编写程序过程中，碰到了不少困难，在他的指导和帮助下，我才成功的通过程序编译，并得到正确的结果 同时，我要感谢班上的同学们，在做报告的过程中是他们跟我探讨了不少问题，在我遇到困难的时候是他们给予了我耐心的帮助 nts 17 最后，我要感谢永远在我背后默默支持我的父母 附录 程序代码 THE CMOS AMP M1 6 3 0 0 MOD1 W=60U L=6U AD=80P AS=80P M2 6 4 5 5 MOD2 W=60U L=10U AD=100P AS=100P M3 4 4 5 5 MOD2 W=60U L=20U AD=200P AS=200P M4 4 4 0 0 MOD1 W=8U L=50U AD=500P AS=500P .MODEL MOD1 NMOS LEVEL=1 VTO=1.0 GAMMA=0.2 PHI=0.6 LAMBDA=0.03 JS=0.16 PB=0.82 CGSO=2.9E-10 + CGDO=2.9E-10 CGBO=2.2E-9 RSH=6 TOX=9.5E-8 NSUB=2.5E14 XJ=1.2U LD=0.8U UO=700 .MODEL MOD2 PMOS LEVEL=1 VTO=-0.9 GAMMA=0.2 PHI=0.6 LAMBDA=0.03 JS=0.16 PB=0.82 CGSO=2.9E-10 + CGDO=2.9E-10 CGBO=2.2E-9 RSH=30 TOX=9.5E-8 NSUB=1.5E14 XJ=1.0U LD=0.8U UO=235 RS 2 3 RMOD 1 .MODEL RMOD RES(R=200) VDD 5 0 10 VGG 1 0 1.997 VS 2 1 AC 1 *COUT 6 7 10U *VOUT 7 0 AC .OP .DC VGG 0 4 0.001 .STEP RES RMOD(R) LIST 200 10K 100K .AC DEC 10 1K 100MEG .PROBE .END Output file nts 18 * 08/11/07 13:27:03 * PSpice 10.5.0 (Jan 2005) * ID# 2090009937 THE CMOS AMP * CIRCUIT DESCRIPTION * M1 6 3 0 0 MOD1 W=60U L=6U AD=80P AS=80P M2 6 4 5 5 MOD2 W=60U L=10U AD=100P AS=100P M3 4 4 5 5 MOD2 W=60U L=20U AD=200P AS=200P M4 4 4 0 0 MOD1 W=8U L=50U AD=500P AS=500P * .MODEL MOD1 NMOS LEVEL=1 VTO=1.0 GAMMA=0.2 PHI=0.6 LAMBDA=0.03 JS=0.16 PB=0.82 CGSO=2.9E-10 + CGDO=2.9E-10 CGBO=2.2E-9 RSH=6 TOX=9.5E-8 NSUB=2.5E14 XJ=1.2U LD=0.8U UO=700 * .MODEL MOD2 PMOS LEVEL=1 VTO=-0.9 GAMMA=0.2 PHI=0.6 LAMBDA=0.03 JS=0.16 PB=0.82 CGSO=2.9E-10 + CGDO=2.9E-10 CGBO=2.2E-9 RSH=30 TOX=9.5E-8 NSUB=1.5E14 XJ=1.0U LD=0.8U UO=235 * RS 2 3 RMOD 1 .MODEL RMOD RES(R=200) VDD 5 0 10 VGG 1 0 1.997 VS 2 1 AC 1 *COUT 6 7 10U *VOUT 7 0 AC .OP .DC VGG 0 4 0.001 *.STEP RES RMOD(R) LIST 200 10K 100K *.AC DEC 10 1K 100MEG .PROBE .END * 08/11/07 13:27:03 * PSpice 10.5.0 (Jan 2005) * ID# 2090009937 THE CMOS AMP * MOSFET MODEL PARAMETERS * MOD1 MOD2 NMOS PMOS LEVEL 1 1 L 100.000000E-06 100.000000E-06 nts 19 W 100.000000E-06 100.000000E-06 LD 800.000000E-09 800.000000E-09 VTO 1 -.9 KP 25.444220E-06 8.541988E-06 GAMMA .2 .2 PHI .6 .6 LAMBDA .03 .03 RSH 6 30 IS 10.000000E-15 10.000000E-15 JS .16 .16 PB .82 .82 PBSW .82 .82 CJ 50.300620E-06 38.962690E-06 CJSW 0 0 CGSO 290.000000E-12 290.000000E-12 CGDO 290.000000E-12 290.000000E-12 CGBO 2.200000E-09 2.200000E-09 NSUB 250.000000E+12 150.000000E+12 TOX 95.000000E-09 95.000000E-09 XJ 1.200000E-06 1.000000E-06 UO 700 235 UCRIT 10.000000E+03 10.000000E+03 DIOMOD 1 1 VFB 0 0 LETA 0 0 WETA 0 0 U0 0 0 TEMP 0 0 VDD 0 0 XPART 0 0 * 08/11/07 13:27:03 * PSpice 10.5.0 (Jan 2005) * ID# 2090009937 THE CMOS AMP * Resistor MODEL PARAMETERS * RMOD R 200 * 08/11/07 13:27:03 * PSpice 10.5.0 (Jan 2005) * ID# 2090009937 THE CMOS AMP * SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG C * nts 20 NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE ( 1) 1.9970 ( 2) 1.9970 ( 3) 1.9970 ( 4) 6.7577 ( 5) 10.0000 ( 6) 4.4283 VOLTAGE SOURCE CURRENTS NAME CURRENT VDD -2.792E-04 VGG 0.000E+00 VS 0.000E+00 TOTAL POWER DISSIPATION 2.79E-03 WATTS * 08/11/07 13:27:03 * PSpice 10.5.0 (Jan 2005) * ID# 2090009937 THE CMOS AMP * OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG C * * MOSFETS NAME M1 M2 M3 M4 MODEL MOD1 MOD2 MOD2 MOD1 ID 1.95E-04 -1.95E-04 -8.38E-05 8.38E-05 VGS 2.00E+00 -3.24E+00 -3.24E+00 6.76E+00 VD
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