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5.实验结果5
6.实验结果分析6
实验三:
电流源负载差分放大器设计7
1.实验目的7
2.实验原理7
3.差分放大器的设计方法8
4.实验内容8
5.实验步骤8
6.实验结果9
7.实验结果分析10
实验五共源共栅电流镜设计11
1.实验目的11
2.实验设计题目及要求11
3.实验内容11
4.实验结果15
5.实验结果分析16
六.课程设计总结17
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。
2.实验内容
1)启动synopsys,建立库以及Cellview文件
2)输入共源级放大器原理图
3)设置仿真环境
4)仿真并查看仿真结果,绘制曲线
3.实验步骤
1)建立工作库
2)建立单元
3)编辑电路:
添加元件、添加连线、添加管脚
4)仿真:
添加仿真库文件,“setup/analyses”添加设置直流静态工作点和交流分析、”simulation/netlistandrun”仿真并生成网表,“result/annotate/dcnodevoltages”在原理图中显示各节点直流电压,选择“Results/plot”,得到坐标曲线。
4.实验结果
1)共源放大器电路原理图
2)放大电路的幅度与相位曲线
5.实验结果分析
计算放大器的放大倍数(实验中W/L=10Rd=10K,gm约为500μ)
理论上AV=-gmRD=14db
由图可以看出实际增益略大于理论增益
实验二差分放大器设计
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
2.差分放大器的设计方法及实验原理
1)确定放大电路
2)手工计算场效应管的直流转移特性曲线,在曲线上确立出mos管的饱和区,确定输入电压,输出电压的范围。
3)确定静态工作点Q:
(VImin+VImax)/2
4)确定电路中其他参数的值
3.实验内容
1)按一下指标,设计一个差分放大器:
电压放大倍数大于20db,尽量增大GBW
2)对所设计的电路进行设计、调试
3)对电路的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
4.实验步骤
1)绘制电路图
2)粗略确定电路中的元件参数
3)根据要求调整元件参数
4)仿真,并生成网表
5)绘制频谱特性图形
5.实验结果
1)差分放大器电路原理图
2)幅频特性曲线
6.实验结果分析
1)调节mos管宽长比和电阻大小,得到对应放大倍数
R/(W/L)
20
30
40
50
60
20k
16.8db
17.3db
17.7db
17.9db
18db
30k
20.2db
20.6db
21.1db
21.3db
21.4db
40k
22.6db
23.1db
23.4db
23.6db
23.8db
2)分析不能直接增大R的大小实现放大倍数的增大的原因
直接增大R,会导致其上的电压Vd增大,若Vd增大,VDD-Vd将会减小,导致输出电压摆幅减小,若Vin-Vth=VDD-Vd,也随之减小,此时仅允许非常小的电压输出摆幅,电路几乎不工作,此外,增大R,导致输出节点的时间常数增大。
电流源负载差分放大器设计
1)掌握电流源负载差分放大器的设计方法
2.实验原理
1)电流镜负载的差分对工作原理图
VGS1=VGS2,M4通过M2的电流将是Iout为0时M2所需要的电流。
VGS1>
VGS2,要使电路平衡,Iout必须为正
VGS1<
VGS2,同理,Iout必须为负。
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。
2)该放大器的小信号特性参数等效跨导为
gm=√(I0β/4)=√(KI0W/4L)
3)该放大器的电压增益为
AV=gm(r04/r02)=√(I0/β)*2/(λ2+λ5)
3.差分放大器的设计方法
1)确定放大电路(选择场效应管)
2)手工计算场效应管的直流转移特性曲线,在曲线上确定出mos管的饱和区,确定输入电压,输出电压的范围
3)确定静态工作点
4)确定电路中其他参数
4.实验内容
1)按以下指标要求,设计一个差分放大器
电压放大倍数大于30DB
2)对所设计的电路进行调试
5.实验步骤
6.实验结果
1)电流源负载差分放大电路原理图
7.实验结果分析
1)记录在调试电路的过程中,不同电路元件参数时的电压放大倍数
w/l(pmos)(行)
w/l(nmos)(列)
70
31.2db
30.32db
29.5db
28.8db
30.6db
29.7db
28.9db
28.1db
30.16db
29.3db
28.5db
27.7db
2)由表格数据可知,选择pmos的w/l为30,nmos的W/l为70,增益为30.6db,满足设计要求。
电源电压的设置不可过大,否则将会导致放大器的输出摆幅变小,也不可过小,过小使得场效应管不能进入饱和区,最终选择3V作为电源电压,满足设计要求。
实验五共源共栅电流镜设计
1)熟悉软件的使用。
了解CADENCE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.实验设计题目及要求
1)题目:
低输出电压高输出电阻的电流镜设计
包括基本共源共栅电流镜设计和低电压电流镜设计
2)设计要求:
电流比1:
1
输出电压最小值0.5v
输出电流变化范围5-100uA
1)共源共栅电流镜基本参数确定
每个MOSFET的衬底都接地,(W/L)1=(W/L)2;
(W/L)3=(W/L)4.
该电路的特点如下:
1.小信号输入电阻低(~1/gm1)
2.输入端工作电压低(
)
3.小信号输出电阻高(
4.输出端最小工作电压低(
1)设计变量初始估算
※确定(W/L)1、(W/L)2
为了计算设计变量,我们有必要了解电路MOSFET的工作状态,为了使输出端最小工作电压小于0.5V,令:
MN3管工作于临界饱和区(即:
=0.5V),而MN1、MN2管随着输入电流
从5UA变到100UA的过程中先工作在过饱和区最终工作在临界饱和区,同时令:
当MN1、MN2工作在临界饱和区时
。
为了使MN1、MN2工作在饱和区,则必须:
(以MN2为例计算)
※确定(W/L)3、(W/L)4
从MN3管
的角度来考虑问题,当
=100UA时,为了使MN2管工作在临界饱和区,
的电压降不可以过大,即:
又MN3管工作于临界饱和区,则:
在此实验中,选定(W/L)1=(W/L)2=(W/L)3=(W/L)4=93/3;
※确定(W/L)B
为了节省面积,和设计的方便,取(W/L)B=3/3=1
※确定IB
在确定IB前要先计算
根据衬偏效应可以得到:
因为MN3工作在临界饱和区,所以:
又MNB管工作于MOS二极管状态:
在此实验中,粗略选定IB为10uA
※确定沟道长度L
取
2)验证直流工作点
MNB:
二极管连接确保它工作于饱和区。
MN3:
工作于临界饱和工作区。
MN1、MN2:
当
它们工作于临界饱和区;
减小时,
减小且
增大,使它们工作在过饱和区。
MN4:
要使MN4管工作于饱和区,则:
而
显然上式成立。
即MN4工作于饱和区。
3)仿真验证
绘制电路图,进行仿真,通过仿真结果进行参数调整
采用初始估算的设计变量,即:
(W/L)1=(W/L)2=(W/L)3=(W/L)4=93/3;
(W/L)B=3UM/3UM;
IB=10UA,RL=7KOHM,使MN3进入临界饱和。
1)电路原理图
2)电流值
Iin为50uA,Iout=44.1uA,比值接近1:
输出电压为0.637798v,大于0.5v,满足设计要求
调整输入电流,调节电阻和Ib,使电路满足设计要求
Iin(uA)
Iout(uA)
R(KOHM)
IB(uA)
5
4.396
8
15
4.411
7
44.158
10
45.136
100
92.345
17
93.569
9
综合多次实验的数据,最终选定元件参数为:
(W/L)1=(W/L)2=(W/L)3=(W/L)4=93/3
(W/L)B=3UM/3UM
IB=15Ua
R=8kohm
六.课程设计总结
在为期一个月的模拟cmos集成电路设计实验课程中,接触了synopsys软件以及学会用原理图设计方法,多次使用慢慢的对这个软件和设计流程从熟悉到陌生,另一方面是对课本上的知识进行了巩固和加深了理解,尤其是对共源共栅电流镜的大信号特性和小信号特性更加了解,第一次试验熟悉了实验室的软件与硬件实验,明确实验的大体方向,后来的实验均是设计类的,对理论知识要求很高,在设计的过程中,查缺补漏,通过定性定量分析,不断的调试元件参数,使放大器的性能指标满足要求,收获的不仅仅是知识,更重要的是做实验的过程,在试验中,与小伙伴一起合作,一起提出问题一起解决问题,一个个错误堆积起来的都是经验。
第一次实验中nmos的modelname没有改成N,导致后来报错,但后来的实验中我们吸取教训,很少再犯由于粗心导致的错误,实验一定要严谨啊,不管软件还是硬件。
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- 北邮 cmos 实验 报告