东南大学 Hspice电流源负载共源放大器设计.docx
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东南大学Hspice电流源负载共源放大器设计
直流分析:
(1)考虑Iref一定时,扫描输入电压VIN,得到输出VOUT的曲线从而确定,偏置电压VIN的选取。
代码:
*CSAmplifier
.optionpost=2
.lib'C:
\hspice\h05mixddst02v231.lib'tt
.lib'C:
\hspice\h05mixddst02v231.lib'captypical
.paramiref_value=100uA
.paramLn=1um=1
.paramWn1=m*10uWn2=m*30u
.paramcl=10p
*components
m1outvin00mnw=Wn1l=Ln
m2out1vddvddmpw=Wn2l=Ln
m311vddvddmpw=Wn2l=Ln
c1out0cl
*thesource
iref10100u
vdd1vdd0dc5
vin1vin0dc5
.dcvin1050.01
.measuredcttranswhenv(out)=2.5
.printdcv(out)
.end
由此可确定当Ln=1u,Iref=100uA时,VIN=1.33V
(2)以iref为变量,得到一簇输出特性曲线。
代码:
*CSAmplifier
.optionpost=2
.lib'C:
\hspice\h05mixddst02v231.lib'tt
.lib'C:
\hspice\h05mixddst02v231.lib'captypical
.paramiref_value=100uA
.paramLn=1um=1
.paramWn1=m*10uWn2=m*30u
.paramcl=10p
*components
m1outvin00mnw=Wn1l=Ln
m2out1vddvddmpw=Wn2l=Ln
m311vddvddmpw=Wn2l=Ln
c1out0cl
*thesource
iref10100u
vdd1vdd0dc5
vin1vin0dc5
*.dcvin1050.01
*.measuredcttranswhenv(out)=2.5
.dcvin1050.01sweepiref0u200u20u
.printdcv(out)
.end
最左边为Iref=0的情况。
从上图中可以看到,随着Iref的增加,输出曲线的陡峭程度(直流增益)慢慢在减小,即:
随着偏置电流的增加,增益在变小,这与理论分析相吻合。
交流分析:
(1)当Vin=1.33V,Wn/Ln=10/1,CL=10p时:
增益(Av)
-3db带宽(Mhz)
GB(Mhz)
-47.28(33.5db)
0.133
6.31
代码:
*CSAmplifier
.optionpost=2
.lib'C:
\hspice\h05mixddst02v231.lib'tt
.lib'C:
\hspice\h05mixddst02v231.lib'captypical
.paramiref_value=100uA
.paramLn=1um=1
.paramWn1=m*10uWn2=m*30u
.paramcl=10p
*components
m1outvin00mnw=Wn1l=Ln
m2out1vddvddmpw=Wn2l=Ln
m311vddvddmpw=Wn2l=Ln
c1out0cl
*thesource
iref10100u
vdd1vdd0dc5
vin1vin0dc1.33ac1
*直流分析
*.dcvin1050.01
*.measuredcttranswhenv(out)=2.5
*.dcvin1050.01sweepiref0u200u20u
*.printdcv(out)
*交流分析
.acdec101010000meg
.measureacVdbmaxmaxvdb(out)
.measureacVdbmax-3dbparam='Vdbmax-3'
.measureacf_-3dbwhenvdb(out)=Vdbmax-3db
.measureacgbwhenvdb(out)=0
.op
.printacvdb(out)
.end
增益以dB的形式:
当没有把增益换算成dB值时的交流输出曲线于下图:
(2)改变沟道长度Ln
代码:
*CSAmplifier
.optionpost=2
.lib'C:
\hspice\h05mixddst02v231.lib'tt
.lib'C:
\hspice\h05mixddst02v231.lib'captypical
.paramiref_value=100uA
.paramLn=1um=1vin_dc=1.33v
.paramWn1=m*10uWn2=m*30uIref=m*100uA
.paramcl=10p
*components
m1outvin00mnw=Wn1l=Ln
m2out1vddvddmpw=Wn2l=1u
m311vddvddmpw=Wn2l=1u
c1out0cl
*thesource
iref10Iref
vdd1vdd0dc5
vin1vin0dcvin_dcac1
*直流分析
*.dcvin1050.01
*.measuredcttranswhenv(out)=2.5
*.dcvin1050.01sweepiref0u200u20u
*.printdcv(out)
*交流分析
.acdec101010000meg
.measureacVmaxmaxv(out)
.measureacVdbmaxmaxvdb(out)
.measureacVdbmax-3dbparam='Vdbmax-3'
.measureacf_-3dbwhenvdb(out)=Vdbmax-3db
.measureacgbwhenvdb(out)=0
.op
.printacvdb(out)
*.alter
*.paramm=2
.alter
.paramLn=5uvin_dc=1.97
.alter
.paramLn=10uvin_dc=2.5
.alter
.paramLn=15uvin_dc=2.9
.alter
.paramLn=20uvin_dc=3.24
.end
Av=-Gm*Rout=-gm*(1/gds1+gds2)
按照公式可知:
gm反比于沟道长度Ln^1/2(M1的沟道长度).
rds1=1/(I*Lamda)而Lamda与沟道长度Ln成反比,所以rds与沟道长度Ln成正比。
注意:
虽然Mn1的本征增益正比于Ln,但是由于Av=-Gm*Rout=-gm*(1/gds1+gds2),
此时Av并不正比Ln,而是反比与Ln。
当没有把增益换算成dB值时的交流输出曲线于下图:
增益以dB的形式:
HSPICE仿真结果,验证了这一点。
Ln
VIN(V)
增益Av
输出阻out(k欧姆)
负载管gds2(u)
放大管gds1(u)
放大管跨导gm1(u)
1u
1.33
-47.28
117.7494
6.2266
2.2747
402.2205
5u
1.97
-23.9357
143.8648
6.3215
0.6347
166.4880
10u
2.5
-17.4391
147.7958
6.2400
0.5111
118.0495
15u
2.9
-14.2670
148.5288
6.2577
0.4800
96.0912
20u
3.24
-12.2320
147.6948
6.2604
0.5152
82.8460
HSPICE仿真结果表明:
Ln的增大,的确会使Mn1管的rds1增大,但负载管Mn2的rds2基本保持不变,这样两个rds并联后使总的输出阻抗基本不变;而Ln增大使Mn1管的gm1变小,所以Ln增大使增益Av减少。
沟道长度Ln
Av(db)
-3db带宽
(KHz)
GB(MHz)
1u
33.5
132
6.38
5u
27.6
110
2.63
10u
24.8
108
1.87
15u
23.1
107
1.56
20u
21.8
106
1.29
注:
这部分开始做的时候一直仿不出来,后面的做完了才回来继续看的,重新写了参数,致使和后面瞬态分析里的部分代码不同。
原来参数里面M2和M3的沟道长度也设成了Ln,导致Ln改变时M2和M3的沟道长度也会跟着变化,从而产生错误的结果;重写了Iref=m*100uA,保证了m改变时iref和宽长比同时变化;重新在参数里面定义了vin_dc=1.33v,这样更便于在下面的.alter语句中改变vin1的值;加了一句.measureacVmaxmaxv(out),可以查看当没有把增益换算成dB值时的增益。
上面2个表格是我偷了个懒,粘贴的老师给的参考资料里的,内容我已经核对过了,是一样的。
(3)同时改变偏置电流iref和所有管子的宽长比
正是因为同时改变,使得在VIN不变的情况下所有管子的vDS,vGS基本没有发生变化。
另外从理论分析上可得增益基本不变,而-3db带宽和增益带宽积GB都随着m正比例变化。
语句:
.acdec101010000megsweepm12.50.5
瞬态分析:
(1)其中输入的分段线性电源描述如下:
vinin0pwl(00v1u0v1.05u3v3u3v3.05u0v6u0v)
代码:
*CSAmplifier
.optionpost=2
.lib'C:
\hspice\h05mixddst02v231.lib'tt
.lib'C:
\hspice\h05mixddst02v231.lib'captypical
.paramiref_value=100uA
.paramLn=1um=1
.paramWn1=m*10uWn2=m*30uIref=m*100uA
.paramcl=10p
*components
m1outvin00mnw=Wn1l=Ln
m2out1vddvddmpw=Wn2l=1u
m311vddvddmpw=Wn2l=1u
c1out0cl
*thesource
iref10100u
vdd1vdd0dc5
vin1vin0pwl(00v1u0v1.05u3v3u3v3.05u0v6u0v)
*直流分析
*.dcvin1
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