《北邮模拟集成电路设计cmos实验报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《北邮模拟集成电路设计cmos实验报告（27页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、模拟集成电路设计仿真模拟集成电路设计仿真 实验报告实验报告姓 名：_ X _学 号：_2013210XXX_班 级：_201321120X_端口号码：_a219 _学 院：_电子工程学院_专 业：_电子科学与技术_班内序号： XXX 目目 录录实验一:共源级放大器性能分析 2 一、 实验目的2 二、实验要求2 三、实验电路及实验结果2 (一)负载电阻 R=10K.2 (二)负载电阻 R=1K.4 四、实验分析6 实验二:差分放大器设计6 一、实验目的6 二、实验要求6 三、实验原理7 四、实验结果7 五、 思考题9 实验三：电流源负载差分放大器设计9 一、实验目的9 二、实验要求9 三、实验原
2、理9 四、实验结果11 五、实验分析12 实验五：共源共栅电流镜设计12 一、实验目的12 二、实验要求12 三、实验内容13 四、实验结果16 实验六：两级运算放大器设计17 一、实验目的17 二、 实验要求17 三、 实验内容18 四、实验原理22 五、实验结果23 六、思考题24 七、实验分析24 实验总结及问题解决25 一、实验中的问题25 二、实验心得体会26实验一实验一:共源级放大器性能分析共源级放大器性能分析1 1、实验目的实验目的1、掌握 synopsys 软件启动和电路原理图（schematic）设计输入方法；2、掌握使用 synopsys 电路仿真软件 custom des
3、igner 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二、实验要求二、实验要求1、启动 synopsys，建立库及 Cellview 文件。2、输入共源级放大器电路图。3、设置仿真环境。4、仿真并查看仿真结果，绘制曲线。三、实验电路及实验结果三、实验电路及实验结果(一)负载电阻 R=10K1.实验电路2.直流分析各节点的直流电压已在电路原理图中打印，下截图为直流工作点的参数：分析该管参数:VDS=67.5842mV，VGS = 1.2V，Vth = 241.008，即有
4、VGS Vth，VDS VGS Vth，因此该 NMOS 管工作在饱和区。2.交流分析(1)幅频特性(2)相位特性从曲线中可看出，在中频区，放大倍数 Av = 7.9dB，根据 Av(dB) = 20logAv，可计算出 Av=2.483。四、四、 实验分析实验分析器件参数：NMOS 管的宽长比为 10，栅源之间所接电容 1pF，Rd=10K。实验结果：输入交流电源电压为 1V，所得增益为 12dB。由仿真结果有：gm=496u，R=10k，所以增益 Av=496*10/1000=4.96=13.91 dB。可见，实际增益大于理论增益。 实验二实验二: :差分放大器设计差分放大器设计一、实验目
5、的一、实验目的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。二、实验要求二、实验要求1.确定放大电路；2.确定静态工作点 Q；3.确定电路其他参数。4.电压放大倍数大于 20dB，尽量增大 GBW，设计差分放大器；5.对所设计电路调试；S SS S V VS SS SD DD DI IA A= =I IR R= =2 2( () )R R2 26.对电路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。三、三、 实验原理实验原理M1、M2 两个 NMOS 管作为差分对管，由电流源提供尾电流。当Vin1 = Vin2 时，每个晶体管的偏置电流都等于/2，输出共模
6、电平等于 RDISS/2，即尾部电流源的作用是抑制输入共模电平的变化对 M1、 M2 管的工作以及输出电平的影响。平衡态下的小信号差动电压增益 AV 为： 1= 2= =nCOX(W/L)四、实验结果四、实验结果( (表中数据单位表中数据单位 dB)dB) ，R R 单位：单位：kkW/LW/LR R1 15 510101515100K100K19dB24dB24dB25dB200K200K23dB27dB28dB29dB300K300K1.1dB19dBX(不工作)X（不工作）改变 W/L 和栅极电阻，可以看到，R 一定时，随着 W/L 增加，增益增加，W/L 一定时，随着 R 的增加，增益
7、也增加。但从仿真特性曲线我们可以知道，这会限制带宽的特性，W/L 增大时，带宽会下降。为保证带宽， 选取W/L=5，R=200K 的情况下的数值，保证了带宽约为 300MHZ，可以符合系统的功能特性，实验结果见下图。1.电路图2.幅频特性曲线从幅频特性曲线图中可以求出，所设计的差分放大器达到最大增益为： = |40| |19.8| = 20.2() 。从相频特性曲线图中可以看出，此时输出电压与输入电压的相位差是 0即输出电压与输入电压同相。五、思考题五、思考题根据计算公式，为什么不能直接增大 R 实现放大倍数的增大？答： 若直接增加 Rd，则 Vd 会增加，增加过程中会限制最大电压摆幅；如果V
8、DDVd=VinVTH，那 MOS 管处于线性区的边缘，此时仅允许非常小的输出电压摆幅。即电路不工作。此外，RD 增大还会导致输出结点的时间常数更大。 实验三：电流源负载差分放大器设计实验三：电流源负载差分放大器设计一、实验目的一、实验目的1.掌握电流源负载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。二、实验要求二、实验要求1.设计差分放大器，电压放大倍数大于 30dB；2.对所涉及的电路进行设计、调试；3.对电路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。三、实验原理三、实验原理电流镜负载的差分对传统运算放大器的输入级一般都采用电流镜负载的差分对。如上图所示
9、。NMOS 器件 M1 和 M2 作为差分对管，P 沟道器件 M4，M5 组成电流源负载。电流0I 提供差分放大器的工作电流。如果 M4 和 M5 相匹配，那么 M1 电流的大小就决定了 M4 电流的大小。这个电流将镜像到 M5。如果 VGS1=VGS2，则 Ml 和 M2 的电流相同。这样由 M5 通过 M2 的电流将等于是 IOUT 为零时 M2 所需要的电流。如果 VGS1VGS2，由于 I0=ID1+ID2，ID1相对 ID2 要增加。ID1 的增加意味着 ID4 和 ID5 也增大。但是，当 VGS1 变的比VGS2 大时，ID2 应小。因此要使电路平衡，IOUT 必须为正。输出电流
10、 IOUT 等于差分对管的差值，其最大值为 I0。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。反之如果 VGS1=5 倍的特征尺寸。综上所述，版图设计中取3LuM6.6. 验证直流工作点验证直流工作点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；当减小时，减小且100INIuAINI1 2GSV、增大，使它 们工作在过饱和区。1 2DSV、MN4：要使 MN4 管工作于饱和区，则：444dsgsTVVV444dgTVVV134gsOUTMINTVVVTV1TOUTMINVVV 而,显然上式成立。即 MN4 工作于饱和区。1
11、0.6431 ,0.5TOUTMINVV VV四、实验结果四、实验结果1.电路图2.电路工作时各二极管状态电路图分析：各个管子的直流工作的参数都已经显示在电路原理图中，根据 NMOS 管饱和区的判断公式 h 可以判断设计符合要求。 实验六：两级运算放大器设计实验六：两级运算放大器设计一、实验目的一、实验目的熟悉软件的使用，了解 synopsys 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 2、实验要求实验要求单级放大器输出对管产生的小信号电流直接流过输出电阻，因此单级电路的增益被抑制在输出对管的跨导与输出阻抗的乘积。在单级放大器中，增益是与输出摆幅相矛盾的。要想得
12、到大的增益我们可以采用共源共栅结果来极大的提高出阻抗的值，但是共源共栅中堆叠的 MOS 管不可避免的减少了输入电压的范围。因为多一层管子至少增加一个对管子的过驱动电压。这样在共源共栅结构的增益与输出电压矛盾。为了缓解这种矛盾引入两级运放，在两级运放中将这两个点在不同级实现。如本设计中的两级运放，大的增益靠第一级与第二级级联而组成，而大的输出电压范围靠第二级的共源放大器来获得。设计一个 COMS 两级放大电路，满足以下指标：AV=5000V/V（74dB） VDD=2.5V VSS=-2.5VGB=5MHz CL=5pf SR10V/us 相位裕度=60 度VOUT 范围=-2,2V ICMR=
13、-12V Pdiss=2mW3 3、实验内容实验内容确定电路的拓扑结构：图中有多个电流镜结构，M5,M8 组成电流镜，流过 M1 的电流与流过 M2 电流ID1,2=ID3,4=1/2*ID5，同时 M3，M4 组成电流镜结构，如果 M3 和 M4 管对称，那么相同的结构使得在 x，y 两点的电压在 Vin 的共模输入范围内不随着 Vin 的变化而变化，为第二极放大器提供了恒定的电压和电流。图 1 所示，Cc 为引入的米勒补偿电容。利用表 1、表 2 中的参数计算得到第一级差分放大器的电压增益为：第二极共源放大器的电压增益为所以二级放大器的总的电压增益为相位裕量有111121180tan ()
14、tan ()tan ()60MGBGBGB ppz 要求 60的相位裕量，假设 RHP 零点高于 10GB 以上11102tan ()tan ()tan (0.1)120vGBAp102tan ()24.3GB p所以22.2pGB即 622.2()mmLcgg CC由于要求60的相位裕量，所以62 6210()10mm mm ccggggCC可得到2.20.2210L cLCCC =2.2pF因此由补偿电容最小值 2.2pF，为了获得足够的相位裕量我们可以选定Cc=3pF考虑共模输入范围：在最大输入情况下，考虑 M1 处在饱和区，有3131(max)(max)DDSGnICnTNICDDSG
15、TNVVVVVVVVVV（4）在最小输入情况下，考虑 M5 处在饱和区，有1515(min)(min)ICSSGSDsatICSSGSDsatVVVVVVVV（5）而电路的一些基本指标有1 1mvCgpA C （6）6 2mLgpC （7）6 1mCgzC（8）1mCgGBC（9）CMR:正的 CMR 5 in31 3()()DDTTIVVV（最大）=V最大最小(10)负的 CMR 5 in15 1()()SSTDSIVVV（最小）=V最大饱和(12)由电路的压摆率5dCISRC 得到5dI=(3*10-12)()10*106)=30A(为了一定的裕度，我们取40irefA。)则可以得到，1,23,45/220dddIIIA下面用 ICMR 的要求计算(W/L)3GB 是单位增益带宽 P1 是 3DB 带宽GB=1pAv5 32 331()()DDSGTNIW LKVVV11/1所以有3()W L=4()W L=11/1由1mCgGBC ，GB=5MHz，我们可以得到612 15 1023 1094.2mgs
