北邮模拟集成电路设计期末实验报告.docx
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北邮模拟集成电路设计期末实验报告
北京邮电大学电子工程学院
模拟CMOS集成电路课程
实验报告
姓名:
何佳羲
指导老师:
韩可
学院:
电子工程
班级:
2012211207
学号:
2012211009
实验一:
共源级放大器性能分析
1、实验目的
1、掌握synopsys软件启动和电路原理图(schematic)设计输入方法;
2、掌握使用synopsys电路仿真软件customdesigner对原理图进行电路特性仿真;
3、输入共源级放大器电路并对其进行DC、AC分析,绘制曲线;
4、深入理解共源级放大器的工作原理以及mos管参数的改变对放大器性能的影响
二、实验要求
1、启动synopsys,建立库及Cellview文件。
2、输入共源级放大器电路图。
3、设置仿真环境。
4、仿真并查看仿真结果,绘制曲线。
三、实验结果
1、电路图
2、幅频特性曲线
4、实验结果分析
器件参数:
NMOS管的宽长比为10,栅源之间所接电容1pF,Rd=10K。
实验结果:
输入交流电源电压为1V,所得增益为12dB。
由仿真结果有:
gm=496u,R=10k,所以增益Av=496*10/1000=4.96=13.91dB
可见,实际增益大于理论增益。
实验二:
差分放大器设计
一、实验目的
1.掌握差分放大器的设计方法;
2.掌握差分放大器的调试与性能指标的测试方法。
二、实验要求
1.确定放大电路;
2.确定静态工作点Q;
3.确定电路其他参数。
4.电压放大倍数大于20dB,尽量增大GBW,设计差分放大器;
5.对所设计电路调试;
6.对电路性能指标进行测试仿真,并对测量结果进行验算和误差分析。
3、实验原理
平衡态下的小信号差动电压增益AV为:
b
β1=β2=β=μnCOX(W/L)
四、实验结果
(表中数据单位dB),R单位:
kΩ
W/L
R
1
5
10
15
100K
19dB
24dB
24dB
25dB
200K
23dB
27dB
28dB
29dB
300K
1.1dB
19dB
X(不工作)
X(不工作)
改变W/L和栅极电阻,可以看到,R一定时,随着W/L增加,增益增加,W/L一定时,随着R的增加,增益也增加。
但从仿真特性曲线我们可以知道,这会限制带宽的特性,W/L增大时,带宽会下降。
为保证带宽,选取W/L=5,R=200K的情况下的数值,保证了带宽约为300MHZ,可以符合系统的功能特性,实验结果见下图。
1.电路图
2.幅频特性曲线
五、思考题
根据计算公式,为什么不能直接增大R实现放大倍数的增大?
答:
若直接增加Rd,则Vd会增加,增加过程中会限制最大电压摆幅;
如果VDD—Vd=Vin—VTH,那MOS管处于线性区的边缘,此时仅允许非常小的输出电压摆幅。
即电路不工作。
此外,RD增大还会导致输出结点的时间常数更大。
六、选做实验
一、选做实验
使用二极管代替电阻做负载,实现10dB增益。
(忘记截电路图)
1.电路图
暂无
2.幅频特性曲线
如下图,电路的增益达到10dB。
实验三:
电流源负载差分放大器设计
一、实验目的
1.掌握电流源负载差分放大器的设计方法;
2.掌握差分放大器的调试与性能指标的测试方法。
二、实验要求
1.设计差分放大器,电压放大倍数大于30dB;
2.对所涉及的电路进行设计、调试;
3.对电路性能指标进行测试仿真,并对测量结果进行验算和误差分析。
三、实验原理
电流镜负载的差分对
传统运算放大器的输入级一般都采用电流镜负载的差分对。
如上图所示。
NMOS器件M1和M2作为差分对管,P沟道器件M4,M5组成电流源负载。
电流0I 提供差分放大器的工作电流。
如果M4和M5相匹配,那么M1电流的大小就决定了M4电流的大小。
这个电流将镜像到M5。
如果VGS1=VGS2,则Ml和M2的电流相同。
这样由M5通过M2的电流将等于是IOUT为零时M2所需要的电流。
如果VGS1>VGS2,由于I0=ID1+ID2,ID1相对ID2要增加。
ID1的增加意味着ID4和ID5也增大。
但是,当VGS1变的比VGS2大时,ID2应小。
因此要使电路平衡,IOUT必须为正。
输出电流IOUT等于差分对管的差值,其最大值为I0。
这样就使差分放大器的差分输出信号转换成单端输出信号。
反之如果VGS1 假设M1和M2差分对总工作在饱和状态,则可推导出其大信号特性。 描述大信号性能的相应关系如下: 式(7-1)中,VID表示差分输入电压。 上面假设了M1 和M2 相匹配。 将式(7-1)代入(7-2)中得到一个二次方程,可得出解。 上图是归一化的M1 的漏电流与归一化差分输入电压的关系曲线,也即是CMOS差分放大器的大信号转移特性曲线。 该放大器的小信号特性参数等效跨导 从图2可以看出,在平衡条件下,M2和M5的输出电阻分别为: 于是该放大器的电压增益为: 四,实验结果 (表中数据单位: dB) W/L(N) W/L(P) 40 50 60 70 5 29dB 30dB 30dB 31dB 10 35dB 36dB 37dB 37dB 15 36dB 37dB 37dB 38dB 选择nmos(w/L)=50,pmos(w/L)=10数据作为结果: 由结果曲线可知,此放大器的使用频率范围需要严格控制,当f增大到一定值时,增益下降速率很快。 1.电路图 2.幅频特性曲线 五、实验分析 本次实验是在实验二的基础上进行修改调试的,电压增益为33.3dB,电压的理论增益公式为 电源电压的设计需要合适的范围,既不能太小,也不能太大。 过小会使得场效应管不能进入到饱和区,过大会使得此放大器的输出摆幅过小,我们的电路设计中选择电源电压为3V,可以满足实验要求。 实验四: 多级放大器 一、实验目的 1.自行设计、调试一个多级放大电路,满足实验规定要求; 2.对实验电路设计,调试过程进行分析,用实验仿真结果验证模拟电路; 3.学会在电路进行检测后,对对应的问题和不足进行对应调节,有针对性对元件进行调整的方法。 二、实验要求 1.使用实验三所设计的电流镜负载的差分放大器作为第一级,第二级使用单管共源放大器。 也可以使用共源共栅结构作为第二级,注意调节电压,注意电压裕度; 2.根据所画的电路图选择合适的元件,并根据元件参数设置电路中电压,使所有mos管都工作在饱和区; 3.确定静态工作点; 4.确定电路中的其它参数的值。 三、实验内容 1.设计二级放大器,电压放大倍数大于40dB; 2.对所设计的电路进行设计、调试; 3.对电路性能指标进行测试仿真,并对测量结果进行验算和误差分析,并计算放大电路的GBW。 根据实验结果中所选的数据,增益为40.82dB,3dB带宽为3.463MHz,换算增益为Av=109.9 所以增益带宽积为: GBW=109.9*3.463M=0.381G. 四、实验结果 表中数据单位: dB,R0单位: Ω W/L(N) R 10 20 30 40 50 50K 35dB 38dB 38dB 47dB 38dB 100K 39dB 40dB 40dB 47dB 47dB 150K 39dB 42dB 48dB 48dB 47dB 选择W/L=30,R0=100kΩ作为结果数据。 由仿真过程可知,(W/L)越大,带宽越小,R0越大,功耗越高。 1.电路图 2.幅频特性曲线 五、思考题 1.参考电路中两级之间采用直接耦合的方式,若采用其他耦合方式有何区别? 答: 若采用电容耦合的方式,可抑制零点漂移。 2.若第二级采用共源共栅结构,有何影响? 答: 可以提高输出阻抗。 六、实验分析 本次设计第一级采用电流源负载的差分放大器,第一级用单管共源放大器。 电路的第二级采用共源共栅结构,共源极共栅极结构能够提过更大的输出电阻,从而极大的提高增益,但是共源共栅中堆叠的MOS管不可避免的减少了输入电压的范围。 因为多一层管子至少增加一个对管子的过驱动电压。 这样在共源共栅结构的增益与输出电压矛盾。 电路中两级之间采用直接耦合的方式,不需要再次设计M19的直流工作点,采用其他的耦合方式,可能会隔断他们的直流联系,需要重新设定M19的直流工作点。 实验五: 两级运算放大器设计 一、实验目的 熟悉软件的使用,了解synopsys软件的设计过程。 掌握电流镜的相关知识和技术,设计集成电路实现所给要求。 2、实验要求 单级放大器输出对管产生的小信号电流直接流过输出电阻,因此单级电路的增益被抑制在输出对管的跨导与输出阻抗的乘积。 在单级放大器中,增益是与输出摆幅相矛盾的。 要想得到大的增益我们可以采用共源共栅结果来极大的提高出阻抗的值,但是共源共栅中堆叠的MOS管不可避免的减少了输入电压的范围。 因为多一层管子至少增加一个对管子的过驱动电压。 这样在共源共栅结构的增益与输出电压矛盾。 为了缓解这种矛盾引入两级运放,在两级运放中将这两个点在不同级实现。 如本设计中的两级运放,大的增益靠第一级与第二级级联而组成,而大的输出电压范围靠第二级的共源放大器来获得。 设计一个COMS两级放大电路,满足以下指标: AV=5000V/V(74dB)VDD=2.5VVSS=-2.5V GB=5MHzCL=5pfSR>10V/us相位裕度=60度 VOUT范围=[-2,2]VICMR=-1~2VPdiss<=2mW 3、实验内容 确定电路的拓扑结构: 图中有多个电流镜结构,M5,M8组成电流镜,流过M1的电流与流过M2电流ID1,2=ID3,4=1/2*ID5,同时M3,M4组成电流镜结构,如果M3和M4管对称,那么相同的结构使得在x,y两点的电压在Vin的共模输入范围内不随着Vin的变化而变化,为第二极放大器提供了恒定的电压和电流。 图1所示,Cc为引入的米勒补偿电容。 利用表1、表2中的参数 计算得到 第一级差分放大器的电压增益为: 第二极共源放大器的电压增益为 所以二级放大器的总的电压增益为 相位裕量有 要求60°的相位裕量,假设RHP零点高于10GB以上 所以即 由于要求的相位裕量,所以 可得到=2.2pF 因此由补偿电容最小值2.2pF,为了获得足够的相位裕量我们可以选定Cc=3pF 考虑共模输入范围: 在最大输入情况下,考虑M1处在饱和区,有 (4) 在最小输入情况下,考虑M5处在饱和区,有 (5) 而电路的一些基本指标有 (6) GB是单位增益带宽 P1是3DB带宽 GB= (7) (8) (9) CMR: 正的CMR(10) 负的CMR(12) 由电路的压摆率得到 =(3*10-12)()10*106)=30μA(为了一定的裕度,我们取。 )则可以得到, 下面用ICMR的要求计算(W/L)3 11/1 所以有==11/1 由,GB=5MHz,我们可以得到 即可以得到 用负ICMR公式计算由式(12)我们可以得到下式 如果的值小于100mv,可能要求相当大的,如果小于0,则ICMR的设计要求则可能太过苛刻,因此,我们可以减小或者增大来解决这个问题,我们为了留一定的余度我们等于-1.1V为下限值进行计算 则可以得到的进而推出 即有 为了得到60°的相位裕量,的值
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