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1、集成课程设计报告单级CMOS放大电路的设计与仿真院 系： 材料与光电物理学院专 业： 微电子学一班 姓 名： 指导教师： 教授 报告提交日期： 年 月目 录摘要：1关键词：1Key words:11.引言22.单级CMOS放大电路的设计52.1 CMOS管介绍52.2 MOS特性分析52.3单级CMOS放大电路的设计原理63. 原理图的绘制以及电路的仿真73.1 软件概述73.2 原理图的绘制73.3 直流工作点的分析：83.4 动态性能指标的测试：113.5仿真结果133.6 测量结果以及误差分析：134. 问题的分析与研究145. 心得体会与总结156.致谢16参考文献17附录：18单级C
2、MOS放大电路的设计与仿真摘要：本文对单级CMOS放大电路进行设计和仿真。首先将对CMOS管进行简单介绍和进行特性分析，并对单级CMOS放大电路的设计原理作了简单介绍。然后根据设计要求，通过Pspice软件仿真系统对单级CMOS放大电路进行仿真，包括直流工作点的分析，瞬态分析，傅里叶分析。并对其静态工作点和交流小信号分析做出阐述。从而使我们了解到模拟CMOS集成电路的一般设计方法和思路，以及PSpice 软件的一些基本操作和仿真功能。关键词：单级CMOS放大电路，直流工作点分析，瞬态分析，傅里叶分析，PSpice。The Design and Simulation of Single-Stag
3、e CMOS AmplifierAbstract: The design and simulation of Single-stage CMOS amplifier has been carried on in this paper. After simple analysis and introduction of CMOS transistor and then the simple introduction of design principle of signal-stage CMOS amplifier, some kinds of simulation including DC o
4、perating point analysis, transient analysis, Fourier analysis has been also executed under the desire of design. Whats more, to make the thought of method of analog CMOS circuit and some Operations and simulation capabilities of Pspice well known, Quiescent operating point and the exchange of small-
5、signal analysis are elaborated.Key words: single-stage CMOS amplifier circuit, DC operating point analysis, transient analysis, Fourier analysis, Pspice.1.引言金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的概念来源于J. E. Lilienfeld于1930年申请的专利，这早于双极型晶体管的发明。然而由于制造技术的限制，MOS技术走向实用的时间比较晚，在20世纪60年代初期，早期的几代产品是n型的。20世纪60年代中期发明的互补MOS(C
6、MOS)器件(即同时采用n型和p型晶体管)，引起了半导体工业的一场革命。CMOS技术很快地占领了数字市场，CMOS门只在开关期间消耗功率以及只需很少的元件。这也是它与相应的双极型或GaAs电路相比所具有的两个显著特点。此外，人们很快发现，与其它类型的晶体管相比，MOS器件的尺寸很容易按比例缩小。而且，CMOS电路被证明具有比较低的制造成本。紧接着，CMOS技术应用于模拟电路设计，如下章将介绍的放大电路中1。放大现象存在于各种场合，例如，利用放大镜放大微小物体，这是光学中的放大；利用杠杆原理用小力移动物体，这是力学中的放大；利用变压器将低电压变换成高电压，这是电学中的放大。研究它们的共同特点，一
7、是都将原物形状或大小的差异按一定比例放大了，二是放大前后能量守恒，例如，杠杆原理中前后端做功相同，理想变压器的原、副边 功率相同等2。利用扩音机放大声音，是电子学中的放大，话筒(传感器)将微弱的声音转换成电信号，经放大电路放大成足够强的电信号后，驱动扬声器(执行机构)，使其发出较原来强得多的声音这种放大与上述放大的相同之处是放大的对象均为变化量(差异)，不同之处在于扬声器所获得的能量(或输出功率)远大于话筒送出的能量(或输入功率)。放大电路放大的本质是能量的控制和转换；是在输入信号作用下，通过放大电路将直流电源的能量转换成负载所或得的能量，使负载从电源获得的能量大于信号源所提供的能量。因此，电
8、子电路放大的基本特征是功率放大，即负载上总是获得比输入信号大的多的电压或电流，有时兼而有之。能够控制能量的原件称为有源元件，因而在放大电路中必须存在有源元件，如晶体管和场效应管等。2放大的前提是不失真，即只有在不失真的情况下放大才有意义。晶体管和场效应管是放大电路的核心元件，只有它们工作在合适的区域(晶体管工作在放大区、场效应管工作在恒流区)，才能使输出量与输入量始终保持线性关系，即电路才不会产生失真。3由于任何稳态信号都可分解为若干频率正弦信号的叠加，所以放大电路常以正弦波作为测试信号。在大多数模拟电路和许多数字电路中，放大时一个基本的功能。我们放大一个模拟或数字信号是因为这个信号太小而不能
9、驱动负载，不能克服后继的噪声或者是不能为数字电路提供逻辑电平。放大器的输入输出特性通常是一个在一定信号范围内可以用一个多项式来近似描述的非线性函数：输入和输出可以是电流值也可以是电压值1。在组成放大电路时必须遵循的原则：必须根据所用放大管的类型提供直流电源，以便设置合适的静态工作点，并作为输出的能源；电阻取值得当，与电源配合 ，使放大管有合适的静态工作电流；输入信号必须能够作用于放大管的输入回路；当负载接入时，必须保证放大管输出回路的动态电流能够作用于负载，从而使负载获得比输入信号大得多的信号电流或信号电压3。放大器性能的重要参数：除增益和速度之外，还有功耗、电源电压、线性度、噪声和最大电压摆
10、幅等参数也是重要的。更进一步，输入输出阻抗决定电路该如何与前级和后级互相配合。在实际中，这些参数中的大多数都会互相牵制，这将导致设计变成一个多维优化的问题4。MOS管输入电阻极高，即成功易简单，抗辐射能力强，MOS集成电路密度比双极型的密度高大的多，而功耗却低的多。因此，自80年代以来，大规模MOS集成电路发展非常迅速。特别是集成密度高、功耗小、适用多层布线的独特优点，使MOS集成电路在当代大规模、超大规模集成电路中占主流地位。与双极型模拟集成电路类似，MOS模拟集成电路和系统也是由一些基本单元电路组成的。常用的基本单元有：单级放大电路、电流源电路、差动放大电路、输出级电路及模拟开关等5。PS
11、PICE软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成图表，模拟和计算电路。它的用途非常广泛，不仅可以用于电路分析和优化设计，还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。与印制版设计软件配合使用，还可实现电子设计自动化。被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件，具有广阔的应用前景。这些特点使得PSPICE受到广大电子设计工作者、科研人员和高校师生的热烈欢迎，国内许多高校已将其列入电子类本科生和硕士生的辅修课程6。在PSPICE中，对元件参数的修改很容易，它只需存一次盘、创建一次连接表，就可以实现一个复杂电路
12、的仿真。如果用Protel等软件进行参数修改仿真，则过程十分繁琐。在改变一个参数时，哪怕是一个电阻阻值的大小都需要重新建立网络表的连接，设置其他参数更为复杂6。在PSPICE内集成了许多仿真功能，如：直流分析、交流分析、噪声分析、温度分析等 ，用户只需在所要观察的节点放置电压(电流)探针，就可以在仿真结果图中观察到其“电压(或电流)-时间图”。而且该软件还集成了诸多数学运算，不仅为用户提供了加、减、乘、除等基本的数学运算，还提供了正弦、余弦、绝对值、对数、指数等基本的函数运算，这些都是其他软件所无法比拟的7。PSPICE是计算机辅助分析设计中的电路模拟软件。它主要用于所设计的电路硬件实现之前，
13、先对电路进行模拟分析，就如同对所设计的电路用各种仪器进行组装、调试和测试一样，这些工作完全由计算机来完成。用户根据要求来设置不同的参数，计算机就像扫描仪一样，分析电路的频率响应，像示波器一样，测试电路的瞬态响应，还可以对电路进行交直流分析、噪声分析、Monte Carlo统计分析、最坏情况分析等，使用户的设计达到最优效果。以往一个新产品的研制过程需要经过工程估算，试验板搭试、调整，印刷板排版与制作，装配与调试，性能测试，测试指标不合格，再从调整开始循环，直至指标合格为止8。这样往往需要反复实验和修改。而仿真技术可将“实验”与“修改”合二为一。为确定元件参数提供了科学的依据。它的优点主要有：(1
14、)为电路设计人员节省了大量的时间。 (2)节省了各种仪器设备。 (3)生产产品一致性好、可靠性高。 (4)产品的更新率高、新产品投放市场快等9。本文将计算单级CMOS放大电路的基本特征，对其进行直流分析、瞬态分析、傅里叶分析，并用Pspice软件进行设计和仿真。 2.单级CMOS放大电路的设计2.1 CMOS管介绍CMOS，全称Complementary Metal Oxide Semiconductor，即互补金属氧化物半导体，是一种大规模应用于集成电路芯片制造的原料。采用CMOS技术可以将成对的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)集成在一块硅片上。该技术通常用于生产RAM和交换应用
15、系统，在计算机领域里通常指保存计算机基本启动信息(如日期、时间、启动设置等)的ROM芯片。 CMOS由PMOS管和NMOS管共同构成，它的特点是低功耗。由于CMOS中一对MOS组成的门电路在瞬间要么PMOS导通、要么NMOS导通、要么都截至， 比线性的三极管(BJT)效率要高得多，因此功耗很低。现在越来越多的电子电路都在使用场效应管，特别是在音响领域更是如此，场效应管与晶体管不同，它是一种电压控制器件，其特性更像电子管，它具有很高的输入阻抗，较大的功率增益，由于是电压控制器件，所以噪声小。 2.2 MOS特性分析 1.MOS管种类和结构MOSFET管是FET管的一种，可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道4种类型，但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管，所以通常提到NMOS或者PMOS指的就是这两种。MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的。MOS管中，漏极和源极之间有一个寄生二极管，叫体二极管，只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。2.MOS管导通特性导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。NMOS的特性，Vgs大于一定能够的值就会导通，适合用于源极接地时的情况(低端驱动)，只要栅极电压达到4V或10V
