6 折叠式共源共栅运算放大器设计实验

国家集成电路人才培养基地模拟电路高级实验(6)折叠式运算放大器2006-071.设计目的：共源共栅运算放大器设计满足VDD=3.3V，功率P=10mW，输出摆幅1.95伏，增益AV80dB。使用SMIC 0.18 m 3.3V CMOS工艺3.3V晶体管模型。DC扫描、交流和差分放大器瞬态分析的学习方法。给定参数：COX=(SiO)/tox其中si=8.85*10-12，o=3.9，tox=6.62nm；un=350cm2，up=92.5 cm2 .2.设计步骤：1.开始节奏工具终端中的光盘设置icfb2.电路设计根据下图设计了电路，运算放大器采用折叠式共源共栅电路。图1设计图形注：1)所有pmos衬底必须连接到电源；所有nmos管的衬底必须接地偏置电压由电压源直接给出。3.参数计算在完成电路图的基本结构之后，下一步是将设计数量添加到每个组件，因此需要分配和计算每个组件的参数。从图中mos晶体管的标签定义来看：总尾电流源pmos晶体管是M0和M1；Pmos共源共栅管是M2和M3；Nmos共源共栅管从上到下是M4、M5、M6和M7。输入管为M8和M10；输入端尾电流源的mos晶体管为M9。pmos晶体管的型号名称是p33，nmos晶体管的型号名称是n33。1)电流分布由于VDD=3.3V，功率P=10mW，因此总电流id=10mW/3.3V=3mA。其次，两个分支完全对称，因此每个分支的电流为1.5毫安。对于折叠电路部分和它自己的共源共栅电路部分，每一个支路的电流被再一次分开，这里我们都采用平分的方式，即M0和M1的电流都是1.5毫安；其他mos管(M9除外)的电流为0.75毫安，是各支路电流的一半。对于M9，电流值是两个输入支路电流之和，即1.5毫安。2)过驱动电压的分布根据本主题的要求，输出摆幅应为1.95伏，以此作为分配过驱电压的标准。M0和M1获得较大的电流，并且它们被分配相对较大的过驱动电压，即，Vod0=Vod1=0.4V然而，当电流同时流过M8和M10管时，M9管也具有大的过驱动电压，并且分配给它的过驱动电压是VOD 9=0.4V对于其他mos管的过驱动电压分布，一般认为pmos管的up比nmos管的un小，所以分配给pmos管的过驱动电压一般比分配给nmos管的大。这里，0.35伏过驱动电压分配给pmos管，而0.3V过驱动电压分配给nmos管，这使得输出摆幅仅为1.95伏.3)纵横比的确定纵横比由电流和过驱动电压之间的关系决定。由于所有mos晶体管都必须在饱和区工作，因此使用饱和区的电流和过驱电压之间的关系：Nmos管：ids=1/2非x (w/l) (vgs-vth) 2=1/2非xvod2=(宽/长)=(不共轴角速度)/(2内径)Pmos管：ids=1/2 up Cox(w/l)(vgs-vth)2=1/2 up Cox VOD 2=(W/L)=(upCOX VOD2) /(2 IDS)根据该公式，可以得到所有mos管的纵横比如下：(宽/长)0-1=388.62；(宽/长)2-3=253.75；(宽高比)4-7=91.3；(宽高比)8=(宽高比)10=91.3；(宽高比)9=102.7 .根据上面找到的长宽比确定宽度和长度。由于使用了工艺库，取L=1.4um(取L为较大值是为了满足大增益的要求)，还可以得到各种W值W0，1=136 * 4um，W2，3=88.82 * 4um，W4，5，6，7=63.92 * 2um，W8，10=63.92 * 2um，W9=71.88 * 2um。注意：乘法符号的含义代表宽度的乘数*倍数，即在乘数处加上倍数值。4)分配初始偏置电压值mos晶体管阈值电压的初始值由工艺库给出。pmos晶体管的阈值电压为Vth=-0.663伏，nmos晶体管的阈值电压为Vth=0.713V伏。这些值将在仿真过程中进行校正。I)。如果PMOS晶体管M0和M1的过驱动电压为vod0=vod1=0.4v，并且| vth |=0.663 v，则偏置电压源电压为v0=3.3v-(0.663 v 0.4v)=2.237 v(二)。如果PMOS管M2和M3的过驱动电压为Vod2=Vod3=0.35伏，并且| Vth |=0.663伏，则偏置电压源电压为V0=3.3伏-(0.663伏0.4伏0.35伏)=1.887伏Iii)。当NMOS晶体管M4和M5的过驱动电压为vod4=vod5=0.3v且vth=0.713 v时，偏置电压源电压为v0=0.713 v 0.3v 0.3v=1.313 vIv)。当NMOS管M6和M7的过驱动电压为vod6=vod7=0.3v且vth=0.713 v时，偏置电压源电压为v0=0.713 v 0.3v=1.013 vv)。当NMOS管M8和M10(输入管的偏置DC电压部分)的过驱动电压为Vod8=Vod10=0.3V且Vth=0.713 V时，偏置电压源电压为V0=0.713 V 0.3V 0.4V=1.413 V六)。当NMOS管M9的过驱动电压为VOD9=0.4V且Vth=0.713 V时，偏置电压源电压为V0=0.7V+0.4V=1.113V。根据给定的初始偏置电压。4.生成符号图形符号的生成：我们选择在已经创建的单元视图中创建其符号，然后单击设计-创建单元视图-从单元视图，从而从已经创建的单元视图的原理图中直接创建其符号文件。创建符号的图形(图形的形状可以改变)，如下图所示：图2生成的符号图形5.添加激励措施对于已经生成符号的图形，只能在给输入添加激励后进行模拟。有必要为模拟生成一个新的单元视图，这里称之为sim _ pack-SG，并且易于统一名称。单元视图的生成如上所述。在单元视图的设计过程中，增加了新设计的折叠式共源共栅放大器作为仿真模型来激励其输入。数字如下：图3添加激发后的细胞视图。添加励磁后，应说明添加电压源的参数。由于设计的放大器是差分共源共栅放大器，差分电路的输入是两个方向相反的Vsin信号，分别加在输入的两端。为了使用方便，Vsin电压源的DC部分设置为参数变量，分别为vdm1和vdm2。Vsin信号需要设置交流(交流)分析和瞬态(瞬态)分析的一些变量，如下图所示。图4输入电压源设置图5输入电压源设置负载电容值的确定：需要确定负载电容值，因为本课题要求单位增益带宽尽可能大，所以在满足增益的条件下，主极点越大越好，只有主极点越大才能保证单位增益带宽越大。主极点与输出阻抗和负载电容的乘积的倒数相关，输出阻抗的值影响增益。如果输出阻抗较大，增益较大，但主极点较小，因此单位增益带宽较小。因此，单位增益带宽只能通过在特定增益下改变负载电容值来增加。从上面的描述可以看出，电容值是一个根据要求而变化的值，因此我们将电容值设置为参数cap，并在仿真过程中将其值相加。这只是为了方便更改，您也可以直接为负载电容赋值，并根据仿真过程中的情况更改电容值。负载电容的值被设置为参数cap，并在仿真过程中给出。注：在模拟过程中，还需要一个用于指定电源电压值的电路，以防止多个电路中出现多个电源电压。因此，只需要设置一个电源电压来指定电源电压的值而没有冲突。3.模拟过程1.模拟环境的建立设置图形变量后，可以模拟图形。单击工具-模拟环境进入模拟环境。2.模拟环境参数设置I)确定spice模型库文件库文件路径是：/CAD/SMIC 018 _ tech/Process _ technology/Mixed _ Signal/SPICE _ model/ms 018 _ v1p 6 _ SPE . lib；节定义为tt，最后一点是添加以添加库文件。图6模型库的建立Ii)变量设置首先，您需要将要设置的变量名导入到设计变量中，然后单击变量-从单元格视图复制导入变量，如下图所示：图7参数值的设置注意：在此设置参数时，双击要在设计变量图形框中设置的参数并设置其值。当设置负载电容值时，首先假设cap=1pF，然后根据主题的要求更改cap值，以满足单位增益带宽和稳定性的要求。vdm1和vdm2的值根据输入端的偏置电压值来设置，即初始值VDM1=VDM2=1.413 V3.设置模拟类型I)。tran(瞬态)分析设置分析-选择，选择转换分析，如图所示：设置模拟时间为1毫秒图8瞬态模拟设置注意：设定的瞬态模拟时间通常是频率倒数的1-10倍。如果太大，你可能看不到精细的图案，如果太小，你可能根本看不到周期。这里设定的1毫秒是频率的倒数。Ii)。DC(直流)分析设置分析-选择，选择直流分析，如图所示：图9 DC参数设置设置DC参数时，首先选择保存DC工作点项目，用于保存静态工作点。然后在“扫描变量”区域中选择“设计变量”项目，并选择变量名。您可以直接输入您定义的变量名称，或者从下面的“选择设计变量”中选择要扫描的变量。这里我们扫描差分信号的DC分量vdm1。在扫描范围中，选择扫描变量的范围，定义起点为0V，终点为3.3V，采用线性扫描模式，扫描步长设置为0.01VIii)。交流分析设置分析-选择，选择交流分析，如图所示：图10交流参数设置当设置交流参数时，只需要扫描频率，这里设置的扫描范围是10-300兆赫。4.设置输出波形点击输出-待绘图-选择原理图后，原理图会自动弹出，然后选择要输出的信号电压或引脚电流。这里，我们选择两个输出Vout1和Vout2作为要输出的信号电压。当选择输出端子作为模拟的输出时，输出端子将变成彩色高亮度线。4.模拟和参数校正完成上述设置后，可以进行模拟。有两种模拟方法。您可以通过单击菜单中的模拟-网表和运行来提取和模拟网表。第二种方法是通过快捷方式进行模拟，即在绘图框右下角的按钮。操作后，将生成网表和操作图。点击结果-打印-DC操作点，查看每个mos管的状态，如下图所示：图11 mos管状态打印根据印刷mos管状态图中的Vth值，通过V0=VOD Vth Vs来校正偏置电压的值，然后进行仿真。在这个过程中，由于M0、M1、M6、M7、M9没有衬偏效应，它们的阈值电压值的变化可能较小，所以先调整这些管的偏压值更为合适。然而，对于mos管M2、M3、M4、M5、M8、M10，存在偏置效应，因此它们的值变化很大，需要不断地修改模拟，直到这些值基本不变。这完全决定了偏置电压的值。接下来要做的工作是考虑是否所有的mos管都在饱和区工作，这也是通过打印mos管的状态来确定的。为了使mos晶体管工作在饱和区，需要考虑VDSVGS-Vth。如图所示：图12示出了mos管的饱和状态从印刷图上看电压VDS，VGS-Vth。如果不满足VDSVGS-Vth，则mos管不饱和，需要通过调整mos管的纵横比来改变其饱和状态。只有当所有mos晶体管饱和时，放大器的增益才能最大化。注：a)调整mos管的宽长比时，宽度只能在原宽长比的基础上适当调整，不考虑原值不能大幅度调整，这与您的设计完全不一致。b)如果所有的mos晶体管都已达到饱和，但放大器的增益仍不满足，则输出端两端的mos晶体管的宽度和长度可以同时增加，这样可以大大增加增益。这是因为当宽度和长度同时增加时，电流和跨导不会因长宽比的值而改变，因此它们的值不会改变。然而，由于长度L加倍，值减小，因此增加了该mos管的输出电阻，并且输出两端的mos管的宽度和长度同时增加，即M2、M3、M4、M5的宽度和长度同时增加，因此增加了输出电阻ro2、ro3、ro4、ro5，因此增加了增益。| Av |=GMRout=gm10 * gm3ro 3(ro10/ro1)/(gm5ro 5 ro7)5.模拟结果1.波德图模拟结果波德图的模拟需要由计算机完成。图13波德图振幅-频率特性曲线从上述波德图的