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,继而实验确定NMOS的
=0.1时,L=0.63U。
同理可以确定调节PMOS管的沟长调制因子的网表
PROJECTEXERCISE
e:
\cmosteaching\cmos_035_spice_model.lib'
M10122P_33W=20UL=0.63UM=1
VDD20dc3
VGS21DC0.85
.PRINTI(M1)
.END
同样找到PMOS的
=0.2时,L=0.63U
1、小信号增益为40dB的CS放大器。
负载为工作在饱和区的MOS管,电流为20uA。
图表1电路原理图
设计思路
首先要确认电路的结构,题目要求:
负载为工作在饱和区的MOS管,我们采用电流源做负载,因为它的等价电阻比较大,容易达到所要求的增益。
单用一个二极管连接形式的MOS作负载是不合适的,因为二极管形式的等价电阻
相对来说比较小,同时要产生100db的增益,这种结构会严重限制电压的摆幅,改进方法是用课本P48例3.3的方法。
在这里我们用电流源做负载。
先确定合理的λ值,从而确定MOS管的L值,由
,计算输出电阻
再由
,可以确定M1的宽长比,从而确定其具体尺寸,给定Vb=2v,然后通过静态电流
可以确定合理的M2尺寸以及Vin的大信号电平。
手工计算
NMOS的
=0.1时,L=0.63U
So
=59.4,andsoW=37.4U
又有
,
得到W2=10.7U.由之前的计算可知
的取值范围。
仿真网表
M13400N_33W=37.4UL=0.63UM=1
M23211P_33W=10.7UL=0.63UM=1
Vb20DC2
VIN40DC0.69AC1
.DCVIN030.001
.ACDEC101K100MEG
仿真的波形如下:
图表2AC分析
增益只有80,通过同时增加W和L进行调节。
我们对M2的宽长同时进行调节,将W和L同时增大1.3倍,并进行微调,取W=13.93UL=0.81U,可以得到比较理想的结果。
改进网表
M23211P_33W=13.93UL=0.81UM=1
仿真波形
图表3改进后的AC分析
图表4增益DB图
.LIS文件
****mosfets
subckt
element0:
m10:
m2
model0:
n_330:
p_33
regionSaturatiSaturati
id19.4284u-19.4284u
ibs-3.121e-215.217e-20
ibd-1.6785f55.0256f
vgs690.0000m-1.0000
vds716.4913m-2.2835
vbs0.0.
vth686.3117m-840.5290m
vdsat75.8270m-180.7751m
beta10.9707m1.1039m
gameff703.3934m350.4868m
gm356.6037u197.2638u
gds2.2835u1.2835u
gmb129.6119u36.8916u
cdtot50.9709f18.3007f
cgtot74.2901f51.1916f
cstot118.0776f79.2310f
cbtot139.3081f57.5744f
cgs47.4411f45.6215f
cgd5.4995f1.8852f
2、小信号增益为40dB的Cascode放大器,负载为工作在饱和区的MOS管,电流为20uA。
图表5电路原理图2
与1基本相同。
同理
Infact,because
,so
所以有
=20.3
通过对MOS管特性曲线仿真,知道为了使
=0.1,有L1=0.63u,所以取W1=20.3*0.63=12.8u
同理,L2=0.63u,M2的宽由静态电流和偏置电压Vb2决定。
设Vb2=0.85v,则当M2处于饱和区的时候,有
即
=0.2,那么管子的尺寸满足该条件。
给定偏置电压Vb3=2v,则可以定出M3的宽长比,
=20。
所以取取L3=0.63U,W=0.63*20=12.6。
M15600N_33W=12.8UL=0.63UM=1
M23455N_33W=15UL=0.63UM=1
M33211P_33W=12.6UL=0.63UM=1
Vb320DC2
Vb240DC0.85
VIN60DC0.77AC1
.printvdb(3)
1)通过查看.LIS文件得到MOS的工作状态。
m20:
m3
regionSaturatiSaturatiSaturati
id20.8503u20.8503u-20.8503u
ibs-3.634e-21-3.571e-215.666e-20
ibd-92.1905a-1.2751f35.9647f
vgs770.0000m743.9993m-1.0000
vds106.0007m1.2732-1.6208
vbs0.0.0.
vth684.0432m683.0382m-845.3289m
vdsat119.7484m104.6602m-177.4643m
beta3.7090m4.3623m1.2544m
gameff703.3934m703.3934m350.4868m
gm254.8316u310.7950u215.4445u
gds52.8438u1.4831u2.4122u
gmb92.3185u111.9747u39.7332u
cdtot24.0872f18.6093f18.4280f
cgtot34.8151f37.6904f37.7360f
cstot54.2023f61.1016f62.7945f
cbtot53.0534f55.3937f51.9511f
cgs27.4483f29.4579f33.2917f
cgd3.1037f2.1802f1.6549f
2)AC分析:
图表6AC分析
图表7VoutDB分析
增益只有38.5db,,比理论值小。
下面对参数进行微调。
,即增大
和
均可,为了使放大器带负载能力更强一
些,调
更合理一些。
而
我们可以通过增大管子的W来进行调节,同时,为了保持
的恒定,我们有必要重新选择输入电平
,保证管子都正常工作在合理的区域。
修改后的网表
M15600N_33W=16.5UL=0.63UM=1
VIN60DC0.75AC1
.PROBEVdb(3)
仿真波形
(2)
图表8AC分析2(修改后)
图表9VoutDB图
查看此时的MOS管的工作状态,如下:
id20.5004u20.5004u-20.5004u
ibs-3.478e-21-3.511e-215.571e-20
ibd-117.6205a-1.4161f32.7824f
vgs750.0000m742.2147m-1.0000
vds107.7853m1.4140-1.4782
vth685.1108m682.8326m-845.6950m
vdsat106.9803m103.7468m-177.1714m
beta4.7997m4.3630m1.2543m
gm288.5328u307.1947u212.2422u
gds29.0847u1.3845u2.4968u
gmb104.5348u110.6367u39.1375u
cdtot29.4087f18.2013f18.9193f
cgtot42.8994f37.5558f37.7336f
cstot67.4187f60.8628f62.7905f
cbtot67.6914f54.9758f52.4422f
cgs33.5001f29.2674f33.2890f
cgd3.3862f2.1802f1.6551f
3、小信号增益为40dB的Cascode放大器,负载为如图3.66所示的共源共栅级,电流为20uA。
设计电路图
设计思路
因为共源共栅级做负载的Cascode放大器有输出电阻非常高的特点,
要达到40db的增益比较容易,所以,我们首先考虑的不是增益因素,而是先通过设定输出电压摆幅来确定管子的过驱动电压,用一个电流镜结构来保证静态电流的大小,然后结合静态电流的大小确定管子的尺寸。
手工计算
假设输出有2V的电压摆幅,那么
,
对MOS管分配过驱动电压,因为NMOS的迁移率比PMOS的大,所以,令
通过过驱动电压,由
可以确定各个管子的宽长比
=
另外,电流镜结构
取
=80U,
=20
M17800N_33W=5UL=1UM=1
M25677N_33W=20UL=1UM=1
M35433P_33W=5.02UL=1UM=1
M43211P_33W=5.02UL=1UM=1
M52211P_33W=20UL=1UM=1
I120DC80U
Vb340DC1.2
Vb260DC0.94
VIN80DC0.85AC1
.PROBEVdb(5)
MOS管的工作状态
m30:
m40:
m5
p_330:
regionSaturatiSaturatiSaturatiSaturatiSaturati
id17.4059u17.4059u-17.4059u-17.4059u-80.0000u
ibs-3.596e-21-2.904e-215.606e-205.606e-202.075e-19
ibd-81.8106a-117.1294a21.7168f6.6488f40.0167f
vgs850.0000m736.8562m-1.1614-1.1819-1.1819
vds203.1438m90.0439m-2.0682-638.6206m-1.1819
vbs0.0.0.0.0.
vth650.2716m659.3330m-845.1305m-845.5200m-835.4987m
vdsat199.2630m114.6960m-309.7434m-326.6308m-337.2151m
beta871.8476u3.6070m310.6885u309.6118u1.2706m
gameff703.3935m703.3934m350.4868m350.4868m350.4868m
gm138.7895u212.6784u97.7031u91.4500u409.7700u
gds10.7552u71.7675u933.8414n2.3455u6.4345u
gmb50.7843u79.3385u18.4250u17.1735u76.8047u
cdtot9.9488f42.9224f6.9768f9.4339f31.7301f
cgtot21.7938f83.4091f22.4203f22.4642f88.1497f
cstot30.4605f114.4522f32.2420f32.2301f129.3907f
cbtot24.8933f95.4891f22.8299f25.2030f90.4952f
cgs17.4189f66.2913f19.5993f19.6303f80.0576f
cgd1.4610f7.3909f671.3312a705.5184a2.7654f
实际仿真过程中,按理论值,M2处于线性区,为了使其达到饱和,我们通过增大其宽长比来获得比较小的VGS2,调整到W=20UL=1U。
AC分析:
图表10ACDB分析3
可以看到,增益只有34db,比要求小,这时候可以通过同时增加管子的宽长比来调节输出电阻的值,使增益增大。
改进的仿真
我们M3的W、L同时增加为原尺寸的两倍W=10.04UL=2U,再进行扫描,结果如下:
id17.4476u17.4476u-17.4475u-17.4476u-80.0000u
ibs-3.605e-21-2.911e-214.889e-205.619e-202.075e-19
ibd-83.4647a-146.4485a36.3935f6.8390f40.0167f
vgs850.0000m732.7490m-1.1433-1.1819-1.1819
vds207.2510m112.5825m-2.0235-656.6721m-1.1819
vth650.2706m659.3271m-826.7700m-845.5151m-835.4987m
vdsat199.2637m112.1460m-310.3718m-326.6349m-337.2151m
beta871.8477u3.6081m329.9845u309.6121u1.2706m
gm139.9238u239.9538u99.2781u91.7224u409.7700u
gds9.5489u20.8307u553.2775n2.2662u6.4345u
gmb51.1806u89.1139u18.5699u17.2255u76.8047u
cdtot9.8194f37.7614f13.7853f9.3780f31.7301f
cgtot21.7531f81.0994f81.8665f22.4600f88.1497f
cstot30.4628f113.7222f103.4433f32.2309f129.3907f
cbtot24.8739f94.8209f53.4260f25.1549f90.4952f
cgs17.4160f65.2913f74.1041f19.6292f80.0576f
cgd1.4089f5.2242f1.3792f701.7808a2.7654f
AC扫描结果:
图表11ACDB分析3(改进后)
可以看到,静态电流17.4476u,增益达到了45db,满足设计要求。
4、电路面积
1、
2、
3、
5、输入输出范围
1
当输入管M1处于饱和区和线性区边缘时,有当输入管M1处于饱和区和线性区边缘时,有
结合.lis文件,仿真得到的输入输出范围波形如下:
图表12输入输出波形
2
当输入管M1处于饱和区和线性区边缘时,有
(忽略够到调制效应)
所以
图表13输入输出波形
(2)
3
图表14输入输出波形(3)
比较
表格1三种电路的比较
结论
以共栅级做负载的Cascode放大器虽然占有相对较大的电路面积,但由于具有很高的输出电阻,更容易得到高的增益。
同时由于层叠式的结构,使得输入输出电压的摆幅比前两种结构要低。
对于第一种和第二种电路结构,在电路面积,增益基本相差不大,第二种结构的电路引入的共栅级电路使得电流的输入输出摆幅变小,但带来的好处是在高频情况下,抑制了
的密勒效应,使其高频情况下的反应速度较快。
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- CMOS 仿真