模拟集成电路实训2

1、集成电路设计实训设计报告姓名 学号 教师 两级运放设计第一部分：设计要求（设计指标）本次实训设计一两级放大器，研究MOS管尺寸、密勒电容Cc对放大器指标的影响。加深对两级放大器中引入的补偿概念的理解。学会对放大器性能的模拟、测量并进行优化。工艺选取：CSMC 0.5um工艺参数类型toxVT/VK（A/V2）NMOS1.32e-080.5041.057e-04PMOS1.24e-08-0.660.611e-04两级放大器的主要指标如下电源电压05V共模输入电压固定在开环直流增益相位裕度转换速率负载电容=3pF静态功耗（电流）共模抑制比（CMRR）电源抑制比（PSRR）第二部分：设计过程电路图如

2、下所示：原理分析由所给条件可知，共模输入电压固定在2.5V，根据转换速率，可知： （1）根据开路直流增益，可以得到公式（2） （2）其中第一级和第二级的增益分别如公式（3），（4）所示： （3） （4）需要注意的是该电路存在3个极点，其中有一个镜像的极点可以不考虑，还存在两个极点，其中主极点和次极点的表达式分别见公式（5），（6） （5） （6）根据公式（3），（5）可以得到单位增益带宽GBW,见公式（7） （7）工程上一般要求相位裕度达到60deg,此时需要近似满足,即引入弥勒补偿电容后，由于前馈回路的存在会引入一个RHP零点，此时我们引入电阻改变零点极性，引入电阻后零点位置如下要使z为LH

3、P零点，需要满足参数设计由转换速率确定电路的尾电流，假设取M5的过驱动电压0.2V，M5与M8为1:1线性电流镜，可得通过GBW确定，进而确定输入级的宽长比，注意此处的GBW单位的弧度再取M3管的过驱动电压为0.2V，同样得到根据零点与GBW的关系，由理论分析可得最后根据零点的要求确定电阻大小考虑到增益要求我们取L=1u,但是经过仿真增益达不到要求，所以将M1,M2的L取2u。M3,M4的L取2u。具体参数选取见下表名称M1，M290/2M3，M436/3M5，M814/1M6150/1M7115/1第三部分：仿真过程在共模输入为2.5V的情况进行静态工作点仿真，并对VINN端和VINP端输入

4、DC信号，扫描范围为2.45V-2.55V,步长设置为0.001V，观察输出波形变化。直流仿真分析网表文件：.title cmos 2-OP.protect.lib"h05mixddst02v23.lib"tt.unprotectm1 3 vinn 2 2 mn w=90u l=2um2 4 vinp 2 2 mn w=90u l=2um3 3 3 vdd vdd mp w=36u l=3um4 4 3 vdd vdd mp w=36u l=3um5 2 1 0 0 mn w=14u l=1um6 vout 4 vdd vdd mp w=150u l=1um7 vout 1

5、 0 0 mn w=115u l=1um8 1 1 0 0 mn w=14u l=1ures 5 4 4kcl vout 0 3pFcc vout 5 1pFib vdd 1 30uAvdd vdd 0 dc 5vinn vinn 0 dc 2.5vinp vinp 0 dc 2.5.op.dc vinn 2.45 2.55 0.001.print dc v(out).end具体的静态工作点如下：DC仿真波形如下：根据直流仿真可以看出各管均工作在饱和区满足要求，同时gm1和gm7与预设的数值有一定差距，由于分析的时候忽略了次级效应，仿真值均比预设小，但依然满足要求。同时，三条支路的电流id综合

6、，远小于1mA,即在静态功耗方面也已达到要求。再观察仿真的波形是否能满足条件，可以看出输入范围在2.45V-2.55V，当输入2.5V时斜率最大，跨导最大。交流仿真网表文件如下：.title cmos 2-OP-AC.protect.lib"h05mixddst02v23.lib"tt.unprotectm1 3 vinn 2 2 mn w=90u l=2um2 4 vinp 2 2 mn w=90u l=2um3 3 3 vdd vdd mp w=36u l=3um4 4 3 vdd vdd mp w=36u l=3um5 2 1 0 0 mn w=14u l=1um6

7、vout 4 vdd vdd mp w=150u l=1um7 vout 1 0 0 mn w=115u l=1um8 1 1 0 0 mn w=14u l=1ures 5 4 4kcl vout 0 3pFcc vout 5 1pFib vdd 1 30uAvdd vdd 0 dc 5vinn vinn 0 dc 2.5 ac 1vinp vinp 0 dc 2.5.op.option nomod dcon=1.ac DEC 20 1 100G.print ac vdb(vout) vp(vout).pz v(vout) vinn.measure ac AV_dB max vdb(vout)

8、.measure ac f-3dB when vdb(vout)='AV_dB-3'.measure ac GB when vdb(vout)=0.end交流仿真波形如下所示：AC仿真参数如下：观察波形，此时的相位裕度为61°，满足要求。查看AC的参数，发现增益为80.88dB，单位增益带宽GBW为31.32MHz满足要求。转换速率分析：转换速率分析网表文件如下：.title cmos 2-OP-AC-tect.lib"h05mixddst02v23.lib"tt.unprotectm1 3 vout 2 2 mn w=90u l=

9、2um2 4 vinp 2 2 mn w=90u l=2um3 3 3 vdd vdd mp w=36u l=3um4 4 3 vdd vdd mp w=36u l=3um5 2 1 0 0 mn w=14u l=1um6 vout 4 vdd vdd mp w=150u l=1um7 vout 1 0 0 mn w=115u l=1um8 1 1 0 0 mn w=14u l=1ures 5 4 4kcl vout 0 3pFcc vout 5 1pFib vdd 1 30uAvdd vdd 0 dc 5vinp vinp 0 pulse(2 3 20ns 0.1ns 0.1ns 200ns

10、 400ns).tran 1n 400n.print trans v(vout).end 运放的转换速率试分析大信号作用下的反应速度。仿真转换速度可将运放的输出端和反相输入端相连构成单位增益结构。运放同相端输入23V的阶跃信号，观察波形如下图所示。检测出上升曲线10%和90%，即2.1V和2.9V对应时间分别为21.2ns和49.8ns。运放转换速率为SR=（2.9-2.1）/（49.8-21.2）=27.97V/s。共模抑制比（CMRR）对于运放共模抑制比，有：CMRR=|Adm/Acm|,共模增益测试电路图如下:共模增益波形如下：用Hspice自带的计算器可以算出CMRR=93dB,所得

11、共模抑制比频谱图如下：电源抑制比（PSRR）对于运放的电源抑制比，定义为：PSRR=Adm/A，即差模增益除以电源增益PSRR越高越好，以减小电源对输出的影响。实际中，PSRR会随着频率的增加而下降。电源增益测试电路图如下。用Hspice自带的计算器可以算出PSRR。仿真得到的正、负电源抑制比如下图所示，低频时正电源抑制比为92.7dB，负电源抑制比为80.5dB。共模抑制比和电源抑制比的网表文件如下：.title cmos 2-OP-AC.protect.lib"h05mixddst02v23.lib"tt.unprotect.subckt opamp vinn vinp

12、 vout vdd 0m1 3 vinn 2 2 mn w=90u l=2um2 4 vinp 2 2 mn w=90u l=2um3 3 3 vdd vdd mp w=36u l=3um4 4 3 vdd vdd mp w=36u l=3um5 2 1 0 0 mn w=14u l=1um6 vout 4 vdd vdd mp w=150u l=1um7 vout 1 0 0 mn w=115u l=1um8 1 1 0 0 mn w=14u l=1ures 5 4 4kcl vout 0 3pFcc vout 5 1pFib vdd 1 30uA.endsX1 vn vp out vdd

13、0 opamp *ADMX2 v1 v1 out1 vdd 0 opamp *ACMX3 vn vn out2 vdc 0 opamp *pPSRRX4 vn vn out3 vdd vsc opamp *nPSRRvdd vdd 0 dc 5vn vn 0 dc 2.5 ac 1vp vp 0 dc 2.5 v1 v1 0 dc 2.5 ac 1vdc vdc 0 dc=5 ac=1vvsc vsc 0 ac=1v.op.option nomod dcon=1.ac DEC 20 1k 100G.print ac v(vout) v(3).print ac vdb(vout).print a

14、c vdb(out) vp(out).print ac vdb(out1).print ac vdb(out2).print ac vdb(out3).end第四部分：结论设计指标实际值开环直流增益 80.4830dB相位裕度61°转换速率27.97V/s负载电容=3pF3pF静态功耗（电流）300.1427uA共模抑制比（CMRR）93dB电源抑制比（PSRR）92.7dB(正)80.5dB(负)通过比较设计指标与实际值,仿真结果除转换速率略小于指标，其余均满足指标要求，但与计算值还有一定差距，主要是由于手工计算只是一种估算，忽略了很多高阶效应，因此需要靠仿真结果确定具体参数值。心得体会 通过这次实训练习，能更加熟练的使用HSPICE，MOS管需要库文件才能定义，各种库工艺的不同，也会导致结果和宽长比定义的