模拟集成电路实验报告.doc

CMOS放大器设计实验报告一、实验目的1.培养学生分析、解决问题的综合能力；2.熟悉计算机进行集成电路辅助设计的流程；3.学会适应cadence设计工具；4.掌握模拟电路仿真方法6.掌握电子电路、电子芯片底层版图设计原则和方法；7.掌握使用计算机对电路、电子器件进行参数提取及功能模拟的过程；8.熟悉设计验证流程和方法。二、实验原理单级差分放大器结构如下图所示：在电路结构中，M2和M3组成了NMOS差分输入对，差分输入与单端输入相比可以有效抑制共模信号干扰；M0和M1电流镜为有源负载，可将差分输入转化为单端输出；M5管提供恒定的偏置电流。三、实验要求设计电路使得其达到以下指标：1.供电电压：VDD 3.3V GND 0V 2.输入信号：正弦差分信号3.共模电压范围为1V4.差分模值范围 1 mV 100 mV5输出信号：正弦信号6.摆率大于10V/s(CL=5pF)7.-3dB带宽大于 100KHz(CL=5pF)8.幅值增益：40dB9.相位裕度：6010.功耗：1mW11.工作温度：085四、差分放大器分析1、直流分析为了使电路正常工作，电路中的MOS管都应处于饱和状态。1.1 M2管的饱和条件:VDS2VGS2-VTNVOUT-VS1VIC-0.5VID-VS1-VTNVOUTVIC-VTN1.2 M4管的饱和条件:VSD4VSG4-VTPVDD-VOUTVSG4-VTPVOUTVDD-VSG4+VTP2.小信号分析小信号模型如下：由图可得：21 增益分析iout=gm1gm3rp11+gm3rp1vgs1-gm2vgs2gm1vgs1-gm2vgs2=gmdvid其中gm1=gm2=gmd,rp1=rds1|rds3C=rds2|rds4AV=VOUTVID=gmdgds2+gds4AV=VOUTVID=(K1ISSW1L1)12(2+4)(ISS/2)=22+4(K1W1ISSL1)1/22.2 频率响应分析由小信号模型易知：1gds2+gds4C其中C=CBD2+CBD4+CGB2+CL3电路参数计算31确定电流根据摆率指标：SR10V/s(CL=5pF)SR=ISSCLISS50A根据功耗指标易知：ISS250A 根据带宽指标：f-3dB100KHz(CL=5pF)-3dB=1ROUTCL ROUT318KROUT=2(N+P)ISSISS70A综上，取: ISS=200A3.2宽长比的确定M4与M5：电流源提供的电流为50A，参数设为L4=1M,W4=2M，根据电流镜原理，可以算出L5=1M,W8=8MM2与M3：100=gm1ROUT=gm1gds2+gds4带入数据可得W2L2=W3L3=18.4取值为20，则取L=360n, W=7.2uM0与M1：这两个PMOS管对交流性能影响不大，只要使其下方的管子正常开启即可，实验中取值：L0=L1=360nM W0=W1=1M五、仿真结果1、幅频特性设置激励如下：信号名称信号类型参数VDD直流V=3.3VGND直流V=0VVin+交流小信号幅值1mV,频率50KHz直流电压1.65V,初相0Vin-交流小信号幅值1mV,频率50KHz电压1.65V,初相180进行ac仿真，仿真结果如下：增益AV=41.66dB，f-3dB=189.5KHz，相位裕度为89.91，满足指标要求。2、摆率仿真通过加入方波激励进行测试摆率信号名称信号类型参数VDD直流V=3.3VGND直流V=0VVin+方波V1=0V,V2=3.3V周期2s,占空比50%Vin-方波V1=3.3V,V2=0V周期2s,占空比50%仿真结果如下：得到：SR=3.286V0.198s=18.82106V/s 满足指标要求。3、共模电压范围仿真为了测试共模电压范围，我们调整直流工作点分别在直流工作点为1.15V和2.15V是进行仿真。3.1 直流工作点1.15V时，仿真结果如下增益AV=42.42dB，f-3dB=108.7KHz，相位裕度为89.91，满足指标要求。3.2 直流工作点2.15V时，仿真结果如下增益AV=40.99dB，f-3dB=171.7KHz，相位裕度为89.94，满足指标要求。4、差分模值范围将输入信号按如下表格设置:信号名称信号类型参数VDD直流V=3.3VGND直流V=0VVin+交流小信号幅值100mV,频率50KHz直流电压1.65V,初相0Vin-交流小信号幅值100mV,频率50KHz电压1.65V,初相180仿真结果如下：可以看到，放大器性能没有发生大的变化，满足要求以上所有仿真中功率都明显小于1mw；综上，放大器大的所有指标在前仿中满足要求。六、版图的绘制由电路图绘制版图如下：由于电容所占面积较大，考虑电容时版图如下：版图绘制完成后，通过DRC检查，以及LVS验证，然后进行RCX参数提取，而后进行后仿。提取RCX如下：七、后仿结果1、幅频特性设置激励如下：信号名称信号类型参数VDD直流V=3.3VGND直流V=0VVin+交流小信号幅值1mV,频率50KHz直流电压1.65V,初相0Vin-交流小信号幅值1mV,频率50KHz电压1.65V,初相180进行ac仿真，仿真结果如下：增益AV=41.66dB，f-3dB=189.5KHz，相位裕度为89.98，满足指标要求。2、摆率仿真通过加入方波激励进行测试摆率信号名称信号类型参数VDD直流V=3.3VGND直流V=0VVin+方波V1=0V,V2=3.3V周期2s,占空比50%Vin-方波V1=3.3V,V2=0V周期2s,占空比50%仿真结果如下：得到：SR=3.3V0.209s=15.79106V/s 满足指标要求。3、共模电压范围仿真为了测试共模电压范围，我们调整直流工作点分别在直流工作点为1.15V和2.15V是进行仿真。3.1 直流工作点1.15V时，仿真结果如下增益AV=43.1dB，f-3dB=144.5KHz，相位裕度为90.02，满足指标要求。3.2 直流工作点2.15V时，仿真结果如下增益AV=40.23dB，f-3dB=294.8Hz，相位裕度为89.72，满足指标要求。3.3 差分模值范围将输入信号按如下表格设置：信号名称信号类型参数VDD直流V=3.3VGND直流V=0VVin+交流小信号幅值100mV,频率50KHz直流电压1.65V,初相0Vin-交流小信号幅值100mV,频率50KHz电压1.65V,初相180仿真结果如下：增益AV=41.8dB，f-3dB=244.3KHz，相位裕度为89.5，满足指标要求。综上，放大器在后仿中也满足指标要求。八、总结通过使用cadence软件设计仿真CMOS放大器，让我熟悉了使用计算机进行集成电路辅助设计的流程；在调节电路参数时有复习巩固了CMOS放大器的相关知识，受益匪浅。11