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1、IC课设报告题 号：题 目：电流源负载共源极放大器的设计 指导老师：院 系： 专业班级：学 号：同组成员：姓 名： 目录一背景简介1.CMOS2.Hspice二设计目标三设计思路概述1.流程2.高频分析四具体设计步骤1.选取W/L的值 2.仿真单个MOS的特性3.相关参数计算4.小信号等效电路及增益，带宽5.整体仿真增益和带宽结果五电路相关曲线仿真1.直流特性仿真2.瞬态分析仿真3.功耗分析仿真4.相位仿真曲线5.幅值仿真曲线六理论与实际的讨论1.数据2.继续思考七课程小结1.收获和建议2.成员工作量一 背景简介1.CMOS当今世界 ,随着计算机、通讯、网络技术的迅猛发展和全球经济一体化进程的
2、加快 ,发展微电子产业的重要性已日益为各国政府及有识之士所接受。当今社会进入到了一个崭新的信息化时代，微电子技术正是信息技术的核心技术。集成电路(Integrated Circuit,简称IC)就是将有源元件(二极管、晶体管等)和无源元件(电阻、电容等)以及它们的连线一起制作在半导体衬底上形成一个独立的整体. 集成电路的各个引出端就是该电路的输入，输出，电源和地。学习了解IC方面的知识已成为每一个当代大学生的基本要求。共源极放大器是CMOS电路中的基本增益级。它是典型的反向放大器，负载可以是有源负载或者电流源。共源极放大器需要得到比有源负载放大器更大的增益。设计电流源负载共源极放大器对学习了解
3、IC有着本质的帮助和提高，这是理论与实践的相结合。下图是电流源负载共源放大器。这种结构采用电流源负载代替PMOS二极管连接的负载。电流源是共栅结构，采用栅极加直流电压偏置VGG2 的P沟道管实现。小信号性能可由模型中用gm2vout0（考虑M2 的栅极交流接地）来求得。小信号电压增益为：取决于器件尺寸、电流和使用的技术，这个电路的典型增益在10100 的范围内。为了用电阻性负载得到类似的增益，必须使用远远高于5V的电源电压。电阻性负载方法还会大大提高功率损耗。但是，这里应该提到的是：对于低增益、高频率级，（如果不需要大量硅面积）用电阻负载会更理想，因为它们一般都有较小的寄生电容。它们通常还比有
4、源负载噪声小。这是个有意义的结果：随着直流电流的减小，增益上升。这是因为输出电导正比于偏置电流，而跨导正比于偏置电流的平方根。增益随ID减小而增加可一直保持到电流接近亚阀值工作区，即弱反型层出现，此时跨导变为正比于偏置电流且小信号电压增益成为偏置电流函数的常数。如果我们假设亚阀区发生在电流近似为1的时候，又如果（W/L）1=(W/L)2=10，使用0.8m模型的参数值可给出图所示的电流负载CMOS共源放大器的最大增益近似为521V/V。图示出了电流源负载作为直流偏置电流的函数的典型关系（假设亚区效应发生在近似等于1的时候）。上图为中M2 的栅极接到M1 的栅极，即为推挽COMS共源放大器。比较
5、电流源和推挽共源放大器，可以得出，采用同样的晶体管，推挽共源放大器具有更高的增益。这是由于两个晶体管都由vIN驱动的缘故。推挽共源放大器的另一个优点是它的输出可以端到端的满摆幅工作。推挽共源放大器的小信号能取决与它的工作区。如果假设M1，M2 都处于饱和区，就能得到最大电压增益。我们可以借助图4-5 来分析小信号性能。小信号电压增益是：我们注意到与电流源/漏共源放大器一样，电压增益同样受直流电流的影响。2.HspiceHspice（现在属于Synopsys 公司）是IC 设计中最常使用的工业级电路仿真工具，用以对电子电路的稳态、瞬态及频域的仿真和分析，可以精确的仿真、分析、优化从直流到高于10
6、0GHz 频率的微波电路。目前，一般书籍都采用Level 2 的MOS Model 进行计算和估算，与Foundry 经常提供的Level 49 和Mos 9、EKV 等Library 不同，而以上Model 要比Level 2 的Model 复杂的多，因此Designer 除利用Level 2 的Model 进行电路的估算以外，还一定要使用电路仿真软件Hspice、Spectre 等进行仿真，以便得到精确的结果。Hspice 输入网表文件为.sp 文件，模型和库文件为.inc 和.lib，Hspice 输出文件有运行状态文件.st0、输出列表文件.lis、瞬态分析文件.tr#、直流分析文件.
7、sw#、交流分析文件.ac#、测量输出文件.m*#等。其中，所有的分析数据文件均可作为AvanWaves 的输入文件用来显示波形。Hspice 所使用的单位 Hspice有如下功能： 电路级和行为级仿真 直流特性分析、灵敏度分析 交流特性分析 瞬态分析 电路优化（优化元件参数） 温度特性分析 噪声分析 傅立叶分析 Monte Carlo, 最坏情况，参数扫描，数据表扫描 功耗、各种电路参数（如H参数、T参数、s参数）等可扩展的功能分析 文件结构：二设计目标设计如图所示的电流源负载共源级放大器，要求满足下列指标：工艺0.35umCMOS工艺电源电压3.3V带宽20MHz输入直流电压为1.6V时的
8、增益30dB负载电容5pF三设计思路概述1.流程（1）先由指标值（主要是增益与带宽）由公式倒推出大致符合设计要求的NMOS与PMOS的W/L的值。（2）写整个电路的网表，并用Hspice仿真验证所得到的W/L的值是否满足指标值，若不满足，则适当修改W/L的值，直至大致满足指标值。接下来按题目所给的设计步骤完成相关参数的计算，即：（1）仿真单个MOS的特性，得到某W/L下的MOS管的小信号输出电阻和跨导。（2）根据上述仿真得到的器件特性，推导上述电路中的器件参数。（3）手工推导上述尺寸下的共源级放大器的直流工作点、小信号增益、带宽。（4）如果增益和带宽不符合题目要求，则修改器件参数，并重复上述计
9、算过程。（5）一旦计算结果达到题目要求，用Hspice仿真验证上述指标。（6）如果仿真得到的增益和带宽不符合要求，则返回步骤2，直至符合要求。 2.高频分析为了进行高频分析，共源放大器的小信号等效电路如图2 所示。这里，Cgs1 是M1 的栅极源极电容。注意，我们已经假设输入源极的输出电容可以忽略。电容C2 由M1和M2 的漏极 衬底电容与负载电容CL 的并联组成。CL 一般占主导地位。在高频下分析电路可使用节点分析。在节点v1，我们把所有离开节点的电流相加并设置总和为零，得到其中： 。而且，在输出节点有其中：。得：有趣的是，3dB频率下的结果与使用零值时间常数分析技术Gray，1993的结果
10、相同。在这个技术中，通过假设其它所有电容器为零，计算出每个电容器的时间常数，在问题中用电压源代替电容器，再用电压源与从电压源流出的电流的比来计算出那个电容器看到的电阻。电容器看到的时间常数就是电容乘以那个电容看到的电阻。整个电路3dB的频率为1 除以单个电容时间常数的总和。对于共源放大器，Cgs1 看到的电阻是输入源极阻抗Rin，Cgd1 看到的电阻。在较高频率下，当增益不比1 大很多时，第二个极点和零点必须考虑。第二个极点的频率可通过假设极点是真实的并分隔很远，则分母可以表示为四具体设计步骤1.选取W/L的值 由指标手工倒推出来的W/L的值始终无法仿真满足所有的指标值，我也尝试了任意修改W/
11、L的值，却始终找不到仿真后满足增益指标和带宽指标的适当值。无奈之下，只好记下了以下几组较接近指标的W/L的值（优先保证增益为30dB）。NMOS W/LPMOS W/LIREF/A增益/dB带宽/hz70u/10u55u/10u491u30.18.45k80u/10u50u/10u559u30.39.12k90u/10u55u/10u629u30.11.02m100u/10u60u/10u699u30.01.21m60u/5u80u/10u819u30.21.37m90u/5u60u/5u1.23m30.42.12m90u/3u90u/3u1.99m30.73.15m综合考虑增益和带宽指标且考
12、虑到IREF应尽可能小，所以选取NMOS W/L：90u/3u ；PMOS W/L：90u/3u这一组数据进行设计。2. 仿真单个MOS的特性先仿真NMOS（W/L=90u/3u）的特性：网表：EX2.1 use spice to simulation MOS output.lib D:CMOS_035_Spice_Model.lib tt.option post=2 numdgt=7 tnom=27M1 2 1 0 0 N_33 W=90U L=3UVDS 2 0 VGS 1 0 1.6.DC VDS 0 3 0.1 .PRINT DC i(m1) .END仿真曲线：再仿真单个PMOS（W/
13、L=90u/3u）管的特性：网表：EX2.1 use spice to simulation MOS output.lib D:CMOS_035_Spice_Model.lib tt.option post=2 numdgt=7 tnom=27M1 2 1 0 0 p_33 W=90U L=3UVDS 2 0 VGS 1 0 -1.6.DC VDS 0 -3 0.1 .PRINT DC i(m1) .END仿真曲线：3.相关参数计算NMOS:由NMOS仿真曲线知饱和区内两点：VDS1=2.2V，ID1=1.97m；VDS2=2.8V，ID2=1.98m。由公式：ID1/ ID2=(1+VDS1
14、)/ (1+VDS2)可算得：n=0.0086/VCMOS:由NMOS仿真曲线知饱和区内两点：VDS1=2.5V，ID1=5.51u；VDS2=2V，ID2=5.45u。由公式：ID1/ ID2=(1+VDS1)/ (1+VDS2)可算得：p=0.023/V由公式：r=1/(ID)取ID=1.98m,则可算得小信号电阻rds：rn=58.7K rp=21.9K 4.小信号等效电路及增益，带宽从0.035um工艺表中可查得：NMOS管PMOS管图中Vin=VGS=1.6V, CM断开，Rout= rn / rp， Cout=5pF NMOS:知：gm3=0.005由小信号等效电路图可得到增益公式：Av=gm3 *( rn / rp )带宽公式的推导：输出端接5PF的电容时，Vout/Vin= gm3 *（( rn / rp )/(1/CS)）= gm3 /(1+RCS) (R= rn / rp)= gm3 /(1+jRCW)其模为：gm3 /sqrt(1+R
