电流源负载单级放大器仿真

电流源负载单级放大器仿真一. Hspice简介HSPICE 是Meta-Software 公司为集成电路设计中的稳态分析，瞬态分析和频域分析等电路性能的模拟分析而开发的一个商业化通用电路模拟程序，它在伯克利的SPICE（1972 年推出），MicroSim公司的PSPICE （1984 年推出）以及其它电路分析软件的基础上，又加入了一些新的功能，经过不断的改进，目前已被许多公司、大学和研究开发机构广泛应用。二. 设计目标设计一电流源负载共源放大器，研究偏置电压，电流，MOS管尺寸对其性能的影响。电路如图1。图1 电流源负载共源放大器设计指标：VDD=5V CL=10pf IREF=100uA AV=35dB GB=9MHz3. 设计思路1. 先由指标值（主要是增益与带宽）由公式倒推出大致符合设计要求的NMOS与PMOS的W/L的值。 2. 写整个电路的网表，并用Hspice仿真验证所得到的W/L的值是否满足指标值，若不满足，则适当修改W/L的值，直至大致满足指标值。直流分析： （1）其中 电路正常工作时，所有MOS管工作在饱和状态，即 （2）由此可以得出M1工作在饱和区的条件是： （3）同理可以得出M2工作在饱和区的条件是： （4）因此，由（3）、（4）式我们可以得到输出电压的大概范围： （5）根据（1）式，节点1处的工作电压表示为： （6）代入（5）式可得 （7）交流分析：我们可以推导出电路的低频电压增益为： （8）其中-3dB点可表示为 （9）即可得到单位增益带宽 （10）四仿真调试根据（8）式，由指标和已知的参数值可以算出在30左右。且由（8）式可知，增大可以提高放大器增益。所以先设置初始宽长比：(W/L)N = 30/1 (W/L)P = 10/1交流分析中再通过程序改变NMOS管的宽长比，观察放大器增益的变化情况。1. 直流工作点分析仿真网表：.title test1.lib D:test1h05mixddst02v23.lib tt.option post probeVdd Vdd 0 5vIref 1 0 100uCl Vout 0 10pM3 1 1 Vdd Vdd mp W=10u L=1uM2 Vout 1 Vdd Vdd mp W=10u L=1uM1 Vout Vin 0 0 mn W=30u L=1uVin vin 0 5.DC Vin 0 5 0.1.measure dc trans when v(Vout)=2.5.print dc v(Vout).plot dc v(Vout).end扫描直流工作点，以确定静态工作点电压，如图2：图2 传输特性曲线根据共源极放大器原理，最佳静态工作点在输出值为VDD/2=2.5V处。这里通过.measure语句来精确得到Vout=2.5V时的输入电压值，Vin=1.09V，如图3。图3 最佳静态工作点电压2. 交流仿真仿真网表：.title test1.lib D:test1h05mixddst02v231.lib tt.option post probeVdd Vdd 0 5vIref 1 0 100uCl Vout 0 5p.param m=1.param wn=m*30uM3 1 1 Vdd Vdd mp W=10u L=1uM2 Vout 1 Vdd Vdd mp W=10u L=1uM1 Vout Vin 0 0 mn W=wn L=1uVin Vin 0 dc 1.09 ac 1.ac dec 100 1k 100meg sweep m 1 3 0.5.measure ac vdbmax max vdb(Vout).measure ac f_3db when vdb(Vout)=vdbmax-3.measure ac GB when vdb(Vout)=0.print ac vdb(Vout) vp（vout）.plot ac vdb(Vout) vp（vout）.end通过增加NMOS管的栅长L，进行交流仿真。由（8）式推导出，L增大时，低频增益会减小；带宽会减小以及单位增益带宽都也会减小，如图4。图4 交流特性曲线通过.measure语句得到精确的增益值、-3dB点频率，GB的频率，如图5。通过图5可以发现，随着NMOS管的L增大，宽长比减小，放大器的增益不断下降甚至无法实现放大功能。图5 交流特性参数同时得到放大器的相位频谱图，如图6。图6 相位频谱图实际值与指标比较：增益dB带宽Mhz指标值359实际值36.221.8通过对比，达到指标的要求。五总结虽然已经学习过模拟CMOS集成电路设计，但却是第一次接触Hspice软件和实际设计简单电路。从开始甚至不知道如何打开软件和仿真程序，通过查阅书籍和网络资料才逐渐掌握软件操作方法。实训过程中遇到了很多困难和错误，后来都慢慢的排除了。总结如下：1.要将.sp文件和.lib文件放在同一个文件夹内，文件夹只能是英文名。2.要读取某个精确的参数，多运用.measure语句能够很好的实现。3.要扫描某个变量对结果的影响时，运用sweep或者.alter语句，配合.param语句。4.用SPICE做仿真时，Vin的交流部分无论给多大的值，对仿真结果都不造成影响。因而我设定AC电压为1V，这样方便计算增益。参考文献1 钟文耀.CMOS电路模拟与设