折叠式共源共栅运算跨导放大器的设计概要Word文档下载推荐.docx
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GBW
Vdd
Idd
3pF
40dB~50dB
300MHz
3V
Don’tCare
图:
折叠式共源-共栅跨导运算放大器
设计步骤与要点:
1.直流工作点的分析与设计(DCoperationpointdesignandanalysis)
1)假设所有的MOS管均工作在饱和区,VGS-VT=200mV,VDD=3V,
VSS=0V,计算OTA的最大输出摆幅。
2)基于0.35umCMOS工艺,计算和设计MOS管的尺寸,使OTA电路满足最大输出摆幅的要求。
3)以下数据可供设计参考
L1,2,3,4=Lmin;
Lmin=1μm。
2.在HSpice电路仿真软件,对所设计的电路进行模拟仿真与设计
第2章相关背景知识
随着集成电路技术的不断发展,高性能运算放大器得到广泛应用,其性能直接影响电路及系统的整体性能。
折叠式共源共栅运算放大器具有二阶优化性能,因此设计一个实用价值的折叠式共源共栅运算放大器是非常有现实意义的。
CMOS管的参数并不能通过简单的理论计算进行准确的预测,在给定的工艺条件下,理论计算出的管子宽长不考虑实际情况下工艺条件等诸多外界因素,仿真的结果会和设计指标有很大的差距。
第3章设计过程
3.1电路结构设计
3.2主要电路参数的手工推导
3.2.1直流工作点分析
假设所有MOS管均工作在饱和区,VGS-VT=200mV,VDD=3V,VSS=0V,VT1=VT2=VT3=VT4=0.4V
最大输出幅值
,最小输出幅值
最大输出摆幅Vout(max)
Vout(min)=2.8
0.4=2.4V
输出共模电平Vout(cm)=(Vout(max)+Vout(min))/2=1.6V
3.2.2带宽分析及原件参数计算
GBW=
=300MHz
已知条件:
µ
n=1350
/Vs,µ
p=480
/Vs,Lmin=1um,
由以上的计算得到
所有MOS管理论计算结果:
M1
M2
M3
M4
宽长比W/L
119
120
50
145
并联个数M
10
1
MOS宽度W(um)
11.9
12
14.5
MOS管长L(um)
注:
由于只用的0.35um的工艺,元件的W显然已经超过了该工艺的尺寸范围,所以对于大尺寸的M1,M2采用并联的方式满足要求,具体安排见表中数据。
3.2.3直流增益的小信号模型分析
小信号电路图:
3.3计算参数验证
饱和区跨导
得
=
=295MHz
以上验证基本符合题意
第4章电路仿真
实验要求以及计算的参数如下:
原电路集成为一块芯片(在网表中利用.SUBCKT语句进行子电路描述),输入引脚有Voutp,Voutn;
输出引脚有Vinp,Vinn,Vdd,Vss;
作为一个符号可以画成下面的图形以方便理解。
子电路网表如下:
CMOS_Analysis*Nameofproject
.SUBCKTICCVINPVINNVOUTPVOUTNVDDVSS*建立子电路
IB1VDD5DC=IB0
VR1VR101500M
VB1VB101900M
VB2VB201000M
CLOAD1VOUTP0C0*电容连接
CLOAD2VOUTN0C0
M113VINN5VDDP_33L=L0W=W1M=M1*模式管连接
M124VINP5VDDP_33L=L0W=W1M=M1
M213VB2VSSVSSN_33L=L0W=W2M=M2
M224VB2VSSVSSN_33L=L0W=W2M=M2
M31VOUTPVR13VSSN_33L=L0W=W3M=M3
M32VOUTNVR14VSSN_33L=L0W=W3M=M3
M41VOUTPVB1VDDVDDP_33L=L0W=W4M=M4
M42VOUTNVB1VDDVDDP_33L=L0W=W4M=M4
.PARAM1=10M2=10M3=1M4=10*定义常量,作为元件参数
.PARAIB0=1550ua
.PARAL0=1u
.PARAW1=11.9uW2=12uW3=50uW4=14.5u
.PARAC0=3pf
.ENDS
4.1交流特性仿真
首先要仿真的是交流特性,满足三个要求:
直流增益Av=40dB—50dB;
GBW>
300M。
则采用如下仿真图:
交流特性仿真图
写出仿真网表调用前面的子电路,具体代码如下:
XWZWVINPVINNVOUTPVOUTNVDDVSSICC*调用子电路
VDDVDD03*输入信号进行仿真
VSSVSS00
VINCMT102000M*直流电源
VINPVINPT1AC1*交流电源
VINNT1VINNAC1
.GLOBALVDD
.LIB'
C:
\ic\CMOS_035_Spice_Model.lib'
TT*调用0.35um工艺元件库
.OP*静态工作点分析
.ACDEC101k1000MEG*交流仿真
.PRINTACVDB(VOUTP)*打印交流仿真结果
.OPTIONSINGLOD=2CSDF=2
.END
仿真结果图如下所示:
从仿真结果看来,增益为39.6DB,GBW为139MHZ,其中增益基本满足条件,但带宽不能达到要求。
此时要提高系统带宽,则可以提高(W/L)1的值。
在本题中将(W/L)1提高适当的倍数,则理论上GBW应该可以达到题目要求的指标,但由于W,L同时增加,将加大MOS的寄生电容,使得输出接点的总电容增大,GBW减小,即GBW增加所期望的值,于是再对各个MOS管的(W/L)进行微量调整,所有元件的参数变成如下:
550
125
51
153
55
12.5
15.3
利用上表的参数修改上面子电路网表ICC中的元件宽长比参数,通过仿真结果如下图所示:
可以看出仿真结果为直流增益为:
48.3DB;
带宽GBW为:
293MHZ;
基本符合题目中的要求要求。
4.2最大输出摆幅仿真
仿真电路如下所示:
写出仿真网表调用前面的子电路,具体代码(以VOUTN的输出摆幅为例,VOUTP输出摆幅的网表写法类似)如下:
VDDVDD03
VSSVSS00
R1R11VINP10K
R3R31VINN10K
R2VOUTPVINP90K
R4VOUTNVINN90K
VINPR1102000M
VINNR3102000M
.DCVINP030.01直流分析*
.OP
.OPTIONSLISTNODEPOST
TT
.PRINTDCV(VOUTN)
Voutp的输出摆幅:
Voutn的输出摆幅:
从图中可以看出Voutp的最大输出摆幅为2.797v
Voutn的最大输出摆幅为2.864v
这个结果与实验仿真前计算的2.6v数值上相差不大,在误差范围内是可行的。
4.3共模输出的仿真验证
仿真网表如前类似,调用前面的子电路,然后添加输入信号,具体代码不再详述,仿真后得到的图形如下所示:
由图上看到共模输出为1.1v,与计算得到的理论值1.6v有一定的差距,对于这个参数可以通过添加共模反馈电路加以改进,由于这个参数不是本题研究的重点,这里就不再详细说明了。
第5章讨论
下面罗列本次实验要求的技术参数,调试后仿真结果,计算及仿真调试后得到的原件宽长比
技术指标:
仿真结果:
电路指标
最大摆幅
指标数据
40~50db
300MHZ
2.6V
实验仿真结果
48.3
293MHZ
2.864V/2.797
原件参数:
观察上表可以得到:
带宽和最大摆幅达不到题目要求和计算的数值
对于带宽达不到要求,可能与元件之间负载效应有关,另外带宽与计算值不同,可能是由于在MOS管宽长比调节的时候,会产生寄生电容,这个会极大影响电路对交流信号的反应,从而会影响系统的带宽,对于这个问题,可以继续调节元件的参数,或者预置较大的裕值进行计算,以得到大的带宽;
不过总体来说,GBW达到273MHZ基本上达到题目的要求。
对于最大摆幅,可能是因为元件是否在规定的区间工作有关,另外也可能与元件的参数之间不太协调有关。
可以通过微调各个模式管的栅极电压来改进。
第6章心得体会
在这次课程设计中,通过这个实验的过程,我学到了部分有关于集成电路的设计,参数仿真及调整的知识,同时在对于具体电路的仿真以及参数调节方面有了一定的经验,应该对个人来说收获还是很大的,同时这次课设也是对个人兴趣的一次激发。
要注意题目给的要求和条件,这对于网表的建立非常重要,同时利用题目给出的条件也可以用来作为MOS工作区间的判断依据,和电路参数微调的依据。
例如题目中的,VGS-VT=200mV和0.35umCMOS工艺就是两个非常重要的条件。
利用题目要求的技术指标计算得到的MOS管宽长比在数值上由于带宽的要求会很大,而且超过了0.35umCMOS工艺中0.5um<
=W<
=100um的尺寸要求。
这个虽然在软件中对于仿真不会有影响,但是对于设计出来的电路将无法制造,或者制造出来的东西并非所需,这个时候,可以利用MOS管并联,并使单个MOS管的尺寸在工艺允许的范围内。
例如本题网表中部分MOS管并联数为10。
对于电路网表的编写,应该将原始电路和测试电路分开来写,原始电路利用.SUBCKT语句编写成子电路,仿真测试电路则利用X**调用子模块,这样不仅方便查阅,而且对于电路的模块化和复用意义重大,在本题中,由于电路简单,这一点不能很好的而体现出来,但是在大的工程中,这个问题绝对是决定项目成功的关键之一。
对于MOS管,栅极电压非常重要,因为它决定了MOS管工作在那个方式和区间,而各个区间内的工作曲线绝然不同。
因此,本题中VB1,VB2,VR1的值很重要。
对于这个值的调整,可以利用VGS-VT=200mV条件和网表仿真之后生成的.lis文件中的数据来判断,并使各个MOS管工作于饱和区。
参考文献
《半导体集成电路》-----------------------------朱正涌张海洋朱元红
《模拟集成电路分析与设计》------------------------------------洪志良
《电子技术基础——模拟部分》-----------------------------------康华光
《CMOS模拟集成电路设计》------------------------------PhillipEAllen
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- 折叠式 共源共栅 运算 放大器 设计 概要