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1、模拟 CMOS 集成电路实验实验三实验课 3 源跟随器、共栅极、共源 共栅放大器分析1、采用 NMOS 设计源跟随器，其负载为 20k 的电阻。电源电压 3.3V。 (没有特别说明时源衬端接)(1) NMOS 尺寸(W/L)=50u/0.5u, 对输入执行 DC 扫描，观察输入输出的跟随特性，指出跟随特性较好的输入电压范围。电平位移大概为多少？(2) 采用两种办法办法使输入到输出的电平位移量达到 700mV 左右。按照自己的想法修改电路，并给出仿真结果。(3) 将衬底接地，重新执行(1) 的分析，其结果有何不同？为什么会有这种变化？ (1) 1M 1V i nV D DR SV O U T图
2、1.1 源跟随器sp 文件 2*model NMOS*.MODEL NMOS NMOS (+LEVEL=1 VT0=0.7 GAMMA=0.45 PHI=0.9 +NSUB=9e+14 LD=0.08e-6 U0=350 LAMBDA=0.1+TOX=9e-9 PB=0.9 CJ=0.56e-3 CJSW=0.35e-11+MJ=0.45 MJSW=0.2 CGDO=0.4e-9 JS=1.0e-8)*netlist*R1 SN 0 20KM1 DN GN SN BN NMOS W=50u L=0.5u*VDN DN 0 3.3VBN BN SN 0VGN GN 0 0.DC VGN 0 3.
3、3 0.05.options post acct probe.PROBE V(SN).END仿真图 3分析：跟随特性较好的输入电压范围 0.8V-3.3V。电平位移大概为 0.76V。(2) 法一：增加电阻 RSsp 文件 1*model NMOS*.MODEL NMOS NMOS (+LEVEL=1 VT0=0.7 GAMMA=0.45 PHI=0.9 +NSUB=9e+14 LD=0.08e-6 U0=350 LAMBDA=0.1+TOX=9e-9 PB=0.9 CJ=0.56e-3 CJSW=0.35e-11+MJ=0.45 MJSW=0.2 CGDO=0.4e-9 JS=1.0e-8)
4、*netlist*R1 SN 0 400KM1 DN GN SN BN NMOS W=50u L=0.5u*VDN DN 0 3.3VBN BN SN 0VGN GN 0 0.DC VGN 0 3.3 0.05.options post acct probe.PROBE V(SN).END仿真图 2通过仿真，当 RS=400k 时，输入到输出的电平位移量达到 700mV 左右法二：增大 gm,可以增大 W/L 为 500/0.5sp 文件 1*model NMOS*.MODEL NMOS NMOS (+LEVEL=1 VT0=0.7 GAMMA=0.45 PHI=0.9 +NSUB=9e+14
5、 LD=0.08e-6 U0=350 LAMBDA=0.1+TOX=9e-9 PB=0.9 CJ=0.56e-3 CJSW=0.35e-11+MJ=0.45 MJSW=0.2 CGDO=0.4e-9 JS=1.0e-8)*netlist*R1 SN 0 20KM1 DN GN SN BN NMOS W=100u L=0.25u*VDN DN 0 3.3VBN BN SN 0VGN GN 0 0.DC VGN 0 3.3 0.05.options post acct probe.PROBE V(SN).END仿真图 2(3) 将衬底接地，重新执行(1) 的分析sp 文件 1*model NMOS
6、*.MODEL NMOS NMOS (+LEVEL=1 VT0=0.7 GAMMA=0.45 PHI=0.9 +NSUB=9e+14 LD=0.08e-6 U0=350 LAMBDA=0.1+TOX=9e-9 PB=0.9 CJ=0.56e-3 CJSW=0.35e-11+MJ=0.45 MJSW=0.2 CGDO=0.4e-9 JS=1.0e-8)*netlist*R1 SN 0 20KM1 DN GN SN BN NMOS W=50u L=0.5u*VDN DN 0 3.3VSN BN 0 0VGN GN 0 0.DC VGN 0 3.3 0.05.options post acct pr
7、obe.PROBE V(SN).END仿真图 2跟随特性较好的输入电压范围比(1)中电路减小，输出与输入之间电压差增大淂更快了。这是因为电路(1)中源极和衬底相接不会产生衬底偏置电流，gmb 等于零，电压增益=gmRs/(1+gmRs),而电路（2）电压增益=gmRs/(1+(gm+gmb)Rs)，显然电路(1)具有更好的电压跟随特性。2、共栅极电路如下图所示，负载电阻为 20k。电源电压 3.3V。 衬底接地。V bV o u tV D DR D+-V i n图 2.1 共栅极电路 M 1V i nV D DR DV O U T图 2.2 共源级电路(1) NMOS 尺寸 (W/L)=5u/
8、0.5u，Vb=1.0V， Vin 是直流为 0 交流为 5mV 的正弦信号。通过仿真得到此共栅极的增益，并与手工计算结果相比较。(2) 共源级电路各种参数与上同，这里 Vin 是直流为 1.0V 交流为 5mV 的正弦小信号，仿真得到其增益并与共栅极增益相比较，它们的增益相同吗？为什么？(3) 手工计算共栅极的输入阻抗，并与仿真结果相比较。(1) 共栅极放大器sp 文件 1*model NMOS*.MODEL NMOS NMOS (+LEVEL=1 VT0=0.7 GAMMA=0.45 PHI=0.9 +NSUB=9e+14 LD=0.08e-6 U0=350 LAMBDA=0.1+TOX=
9、9e-9 PB=0.9 CJ=0.56e-3 CJSW=0.35e-11+MJ=0.45 MJSW=0.2 CGDO=0.4e-9 JS=1.0e-8)*netlist*R1 DN VDD 20KM1 DN GN SN BN NMOS W=5u L=0.5u*VVDD VDD 0 3.3VGN GN 0 1.0VBN BN 0 0VSN SN 0 AC 1,-180 sin(0 0.005 1K).tran 1us 5ms.options post acct probe.PROBE V(DN).measure vmax MAX V(DN).measure vmin MIN V(DN).END仿
10、真图 2输出电压幅值取(1.1073-0.9684)/2=0.1389V=138.9mv增益为 138.9/5=27.78手工计算： VVinbGS0.1iB0TH mSVLWCgTHGSOXnm 4032.)71(084.35)( SVginFmSBFmb 085.9.22 764.90)85.403.()( DbVRgA(2)共源极放大器sp 文件 1*model NMOS*.MODEL NMOS NMOS (+LEVEL=1 VT0=0.7 GAMMA=0.45 PHI=0.9 +NSUB=9e+14 LD=0.08e-6 U0=350 LAMBDA=0.1+TOX=9e-9 PB=0.
11、9 CJ=0.56e-3 CJSW=0.35e-11+MJ=0.45 MJSW=0.2 CGDO=0.4e-9 JS=1.0e-8)*netlist*R1 DN VDD 20KM1 DN GN SN BN NMOS W=5u L=0.5u*VVDD VDD 0 3.3VBN BN 0 0VSN SN 0 0VGN GN 0 AC 1,-180 sin(1 0.005 1K).tran 1us 5ms.options post acct probe.PROBE V(DN).measure vmax MAX V(DN).measure vmin MIN V(DN).END仿真图 2仿真测得 =1.3495V =1.2359VMAXVMINV所以 Av= =(1.3495-1.2359)/0.01=11.3601./)(I他们的增益不同，与共栅极相比较，共栅极的增益要略高一些。因为共栅极存在体效应，使它的增益变高。(3)sp 文件 1*model NMOS*.MODEL NMOS NMOS (+LEVEL=1 VT0=0.7 GAMMA=0.45 PHI=0.9 +NSUB=9e+14 LD=0.08e-6 U0=350 LAMBDA=0.1+TOX=9e-9 PB=0.9 CJ=0.56e-3 CJSW=0.35e-11+MJ=0
