运算放大器设计Word文件下载.docx
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目录
1题目要求3
2参数设计3
2.1电路图3
2.2工艺参数3
2.3计算过程4
2.3.1计算各管子尺寸4
2.3.2仿真以修正参数4
3仿真过程5
3.1总体网表编写过程5
3.2输入共模电压摆幅5
3.2.1测试电路5
3.2.2网表编写5
3.2.3测试结果7
3.3输出电压摆幅7
3.3.1测试电路7
3.3.2网表编写7
3.3.3测试结果9
3.4电压增益及带宽9
3.3.1测试电路9
3.3.2网表编写9
3.3.3测试结果11
4设计总结和体会11
5致谢12
6参考文献12
1题目要求
要求基于0.35um3.3V工艺进行设计一个功耗电流小于10uA、输入共模电压范围为1V—3.1V、输出电压摆幅为0.3—3V、电压增益大于35dB、带宽大于15M的运算放大器。
2参数设计
2.1电路图
2.2工艺参数
NMOS管
PMOS管
2.3计算过程
2.3.1计算各管子尺寸
设定流过MN1和MN2的电流分别为2μA和4μA,根据管子饱和时Sah氏方程
,共模输入最大、最小电压的值以及一些必要的假定值,可以初步计算出各管子的宽长比为:
=1,
=0.5,
=0.6。
2.3.2仿真以修正参数
假定所有管子的长度L=1μm,即网表(部分)如下:
MP11VBVDDVDDp_33w=1ul=1u
MP222VDDVDDp_33w=1ul=1u
MP3Vout2VDDVDDp_33w=1ul=1u
MN11100n_33w=0.5ul=1u
MN23100n_33w=1ul=1u
MN32Vin130n_33w=0.6ul=1u
MN4VoutVin230n_33w=0.6ul=1u
仿真发现增益达到要求,但带宽过窄,故经调试发现改变P2、P3、N3、N4管的长度值,即可在保证增益和带宽同时达到要求。
修改后参数如下:
MP11VBVDDVDDp_33w=2ul=2u
MP222VDDVDDp_33w=0.6ul=0.6u
MP3Vout2VDDVDDp_33w=0.6ul=0.6u
MN11100n_33w=1ul=2u
MN23100n_33w=2ul=2u
MN32Vin130n_33w=1.2ul=2u
MN4VoutVin230n_33w=1.2ul=2u
3仿真过程
3.1总体网表编写过程
3
2
Vin2
1
Vin1
VDD
对各节点编号如上图所示,对应上图命名CMOS管为MP1、MP2、MN1、MN2、MN3、MN4,并根据上图所示节点位置进行连接。
根据测试需要修改某些管子的节点编号以及测试电压源的节点编号、参数值。
根据不同测试要求选择扫描类型,如:
.DC(直流扫描)、.AC(交流小信号扫描)等。
3.2输入共模电压摆幅
3.2.1测试电路
3.2.2网表编写
由于输入的共模电压范围为直流量,故需使用.DC语句在输入共模电压值从0~3.3V时对电路进行直流扫描分析,并使用.PRINT语句将通过N3管的电流打印并显示于图表中,通过观察其变化情况来确定共模电压范围。
gongmo
.lib"
c:
\CMOS_035_Spice_Model.lib"
tt
MP11VbVDDVDDp_33w=2ul=2u
MN4VoutVout30n_33w=1.2ul=2u
Cload405.0e-12
VDDVDD0DC=3.3V
VbVb0DC=2.17V
Vin1Vin10
.DCVin103.30.01
.op
.printDCI(MN3)
.end
3.2.3测试结果
由图可知,输入共模电压范围为1.01-3.08V,满足输入共模电压为1-3.1V这一性能要求。
3.3输出电压摆幅
3.3.1测试电路
3.3.2网表编写
与测量输入共模电压范围类似,此时运放正负极均接直流电源,故应固定反向输入端电压值,使用.DC语句在同向输入端电压值从0~3.3V时对电路进行直流扫描分析,通过观察Vout幅值变化情况来确定输出摆幅。
shuchu
VddVDD0DC=3.3V
VbVB0DC=2.17V
VinVin10DC=0.9V
VgmVin20DC=0.9V
.DCVin03.30.01
3.3.3测试结果
由图可知,输出电压范围为0.304-3.03V,满足输出电压范围为0.3-3V这一性能要求。
3.4电压增益及带宽
由原理图可知,运放同相输入端、反相输入端分别输入共模电压、共模电压和小信号,故同向输入端电压值固定为共模电压,反相输入端在共模电压基础上要加上小信号输入,同时要在输出口接电容以将交流分量分离出来。
在这项测试中要使用.AC语句在输入小信号为幅值为0.1V的交流信号时对电路进行交流小信号分析,通过观察Vout幅值变化情况来确定增益和带宽。
zengyi
VcmVin10DC=1.5V
Vin2Vin1Vin2DC=0VAC=0.1V
.ACDEC1001000MEG
增益为35dB对应的放大倍数为56.2倍。
由图可知,输出电压最大增益时幅值为5.64V满足增益要求,并且在输出复制下降到最大增益复制的0.707倍时,对应的带宽为17.2MHz,满足带宽至少为15MHz这一性能要求。
4设计总结和体会
本次设计结果总体较为满意,达到了设计的要求,组员之间分工协调较好。
本次设计中,我主要负责网表编写仪及仿真操作,我的工作份额为40%。
这一部分工作主要要求对于软件的熟练使用。
虽然编写的内容较为简单,输出的处理也不复杂,但是对于软件的摸索过程却十分艰辛,期间遇到了不小的挑战。
网表编写过程中我曾将0作为一个非地节点使用,并将同时将地节点电命名为GND,导致输出结果并不随元件参数发生变化。
再之,我曾为了方便,将之前测试成功的一部分代码直接粘贴到新的.sp文件中,但疏忽大意使同一句话在网表中出现了两次,出现运行avanwave时提示没有data输入,或者仿真图形不随参数变化的情况。
在仿真图形的处理过程中,我曾因不知道如何调整X轴为对数刻度而使得的输出的带宽无法判断。
如上这些问题耗费了不少的时间和精力,不过对于我来时却是一次很好的锻炼,不仅使对所学理论知识进行了一次复习,使我掌握了HSpice的一些基本操作,更重要的是提高了我查找并解决问题的能力。
因此,这次课程设计是很有价值的!
5致谢
感谢在此次课程设计中对我悉心指导的老师和学长。
6参考文献
[1]刘刚,雷鑑铭,高俊雄,陈涛。
科学出版社,《微电子器件与IC设计基础》;
[2]康华光,陈大钦,张林。
高等教育出版社,《模拟电子技术基础》;
[3]钟文耀,郑美珠。
科学出版社,《CMOS电路模拟与设计——基于HSpice》;
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- 关 键 词:
- 运算放大器 设计