模拟CMOS集成电路设计大作业.docx
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模拟CMOS集成电路设计大作业
模拟CMOS集成电路设计大作业
设计题:
假定μnCox=110μA/V2,μpCox=50μA/V2,λn=0.04V-1,λp=0.04V-1(有效沟道长度为1μm时),λn=0.02V-1,λp=0.02V-1(有效沟道长度为2μm时),λn=0.01V-1,λp=0.01V-1(有效沟道长度为4μm时),γ=0.2,VTHN=|VTHP|=0.7V。
设计如下图的放大器,满足如下要求,其中负载电容CL=5pF。
Av>5000V/V,VDD=5V,GB≥5MHz,SR>10V/µs,60°相位裕度,Vout摆幅在0.5~4.5V范围,ICMR为1.5~4.5V,Pdiss≤2mW
1.请说明详细的设计过程,包括公式表达式(假定Cox=0.35fF/µm2,栅源电容按
计算);
2.给出进行交流仿真和瞬态仿真的spice仿真的网表,并给出仿真波形和结果以及必要的讨论和说明。
3.如果要求Av至少提高为原来的2倍,其它要求不变,如何修改电路(注意讨论对其它性能参数的影响)?
4.如果要求增益带宽积GB提高为原来的2倍,其它要求不变,如何修改电路(注意讨论对其它性能参数的影响)?
注意事项:
1.计算得到的极点频率为角频率。
2.尺寸最后应选取整数,工艺精度的限制。
3.尾电流增加,Av增加还是减小?
一.设计过程:
0.确定正确的电路偏置,保证所有晶体管处于饱和区。
为保证良好的电流镜,并确保M4处于饱和区。
(Sx=Wx/Lx)
由I6=I7得
1.根据需要的PM=60deg求Cc(假定
>10GB)
2.由已知的Cc并根据转换速率的要求(或功耗要求)选择ISS(I5)的范围;
3.由计算得到的电流偏置值(I5/2),设计W3/L3(W4/L4)满足上ICMR(或输出摆幅)要求,即饱和区条件;
4.验证M3处镜像极点是否大于10GB;
5.设计W1/L1(W2/L2)满足GB的要求;
6.设计W5/L5满足下ICMR(或输出摆幅)要求;
7.根据Wp2>2.2GB计算得到gm6;并且根据偏置条件VSG4=VSG6计算得到M6的尺寸;
8.根据尺寸和gm6计算I6,并验证Vout,max是否满足要求;
9.计算M7的尺寸。
并验证Vout,min是否满足要求;
10.验证增益和功耗;
11.若增益不满要求,降低I5和I6或提高M2、M6尺寸等措施,但重复以上步骤进行验证。
12.SPICE仿真验证
二,交流仿真和瞬态仿真的spice仿真的网表以及仿真波形和结果。
仿真验证:
仿真电路图及结点示意图:
PSPICE仿真:
直流仿真:
*Two-stageOPAmpsDCAnalysis
M15420MOSNW=2uL=1u
M26420MOSNW=2uL=1u
M35588MOSPW=1uL=1u
M46588MOSPW=1uL=1u
M52100MOSNW=1uL=1u
M67688MOSPW=20uL=1u
M77100MOSNW=10uL=1u
M81100MOSNW=3uL=1u
CC761.2p
CL705p
IREF81DC12.5u
VDD80DC5
VIN143DC3
*VIN230DC3
.OP
.dcVIN11.54.50.1
.plotdcV(7)
*MODEL
.MODELMOSNNMOSVTO=0.7KP=110ULAMBDA=0.04GAMMA=0.2
.MODELMOSN1NMOSVTO=0.7KP=110ULAMBDA=0.02GAMMA=0.2
.MODELMOSN2NMOSVTO=0.7KP=110ULAMBDA=0.01GAMMA=0.2
.MODELMOSPPMOSVTO=-0.7KP=50ULAMBDA=0.04GAMMA=0.2
.MODELMOSP1PMOSVTO=-0.7KP=50ULAMBDA=0.02GAMMA=0.2
.MODELMOSN2PMOSVTO=0.7KP=50ULAMBDA=0.01GAMMA=0.2
.END
仿真结果:
交流仿真:
*Two-stageOPAmpsACAnalysis
M15320MOSNW=2uL=1u
M26420MOSNW=2uL=1u
M35588MOSPW=1uL=1u
M46588MOSPW=1uL=1u
M52100MOSNW=1uL=1u
M67688MOSPW=20uL=1u
M77100MOSNW=10uL=1u
M81100MOSNW=3uL=1u
CC761.2p
CL705p
IREF81DC12.5u
VDD80DC5
VIN140DC2.6
VIN234AC30u
.OP
.ACDEC2011GHZ
.PLOTACDB(V(7)/30u)VP(7)
.PROBE
*MODEL
.MODELMOSNNMOSVTO=0.7KP=110ULAMBDA=0.04GAMMA=0.2
.MODELMOSN1NMOSVTO=0.7KP=110ULAMBDA=0.02GAMMA=0.2
.MODELMOSN2NMOSVTO=0.7KP=110ULAMBDA=0.01GAMMA=0.2
.MODELMOSPPMOSVTO=-0.7KP=50ULAMBDA=0.04GAMMA=0.2
.MODELMOSP1PMOSVTO=-0.7KP=50ULAMBDA=0.02GAMMA=0.2
.MODELMOSN2PMOSVTO=0.7KP=50ULAMBDA=0.01GAMMA=0.2
.END
仿真结果:
输入信号为12.5μA,图中直接体现的是放大倍数。
从图中可以看出,相位裕度为
60°符合要求。
瞬态仿真
*Two-stageOPAmpsTRANAnalysis
M15320MOSNW=2uL=1u
M26420MOSNW=2uL=1u
M35588MOSPW=1uL=1u
M46588MOSPW=1uL=1u
M52100MOSNW=1uL=1u
M67688MOSPW=20uL=1u
M77100MOSNW=10uL=1u
M81100MOSNW=3uL=1u
CC761p
CL705p
IREF81DC12.5u
VDD80DC5
VIN140DC2.6
VIN234sin(030u100Hz1ns0)
.OP
.TRAN1u100000u
.PLOTtranV(7)V(3)
.PROBE
*MODEL
.MODELMOSNNMOSVTO=0.7KP=110ULAMBDA=0.04GAMMA=0.2
.MODELMOSN1NMOSVTO=0.7KP=110ULAMBDA=0.02GAMMA=0.2
.MODELMOSN2NMOSVTO=0.7KP=110ULAMBDA=0.01GAMMA=0.2
.MODELMOSPPMOSVTO=-0.7KP=50ULAMBDA=0.04GAMMA=0.2
.MODELMOSP1PMOSVTO=-0.7KP=50ULAMBDA=0.02GAMMA=0.2
.MODELMOSN2PMOSVTO=0.7KP=50ULAMBDA=0.01GAMMA=0.2
.END
仿真结果:
放大倍数也符合。
3.如果要求Av至少提高为原来的2倍,其它要求不变,如何修改电路(注意讨论对其它性能参数的影响)?
使
提高为原来的两倍,首先由增益公式得
通过增益的表达式可知,可以通过降低
、
,或者增大M1(M2)、M6的尺寸。
如果M1、M6尺寸增大为原来的两倍,I2和I6保持不变,则
增大,由
可知增益带宽积就会增大,但由于增益增大倍数大,所以
减小。
由
可
知
将会增大,
减小,
增大,满足要求。
由于
,所以
也应该增大为原来的两倍,
减小,即
减小。
满足要求。
4.如果要求增益带宽积GB提高为原来的2倍,其它要求不变,如何修改电路(注意讨论对其它性能参数的影响)?
注意事项:
尾电流增加,各个器件尺寸不变的话,I3和I1增加,gm3和gm1增大,但增大倍数小,gm6增大,I6增大,最终可由下面的公式推出,放大倍数下降。
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- 模拟 CMOS 集成电路设计 作业