资源描述
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
展开阅读全文