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1、模拟集成电路课程设计跨导放大器学院：电信学院班级：微电子92 组长:曾云霖（09053057） 组员:黄雄（09053042）蒋仪（09053043）跨导放大器设计设计题目:基于所给的CMOS工艺设计一款跨导放大器跨导放大器的特点是具有非常 大的输出阻抗，将输入电压转换成电流输出，相当于压控电流源。该电路的设计 同样需要包括偏置电压电流产生电路。设计指标:设计指标:（供参考）性能 测试条件参数指标参数负载电容30pF电源电压范围2.5 5.5V静态电流VDD=3。6V, Temp=27C250 口 A输出摆幅VDD =3。 6V， Temp=27C0.61。 2V输入共模电压VDD =3。 6
2、V， Temp=27C0。 11V开环增益（低频）VDD =3。 6V， Temp=27C18002200单位增益带宽VDD =3。 6V,Temp=27C3MHz相位裕度VDD =3。 6V， Temp=27C60PSRR （低频）VDD =3。 6V,Temp=27C65dB跨导（低频）VDD =3.6V， Temp=27C（9001100） 口 A /V转换速率VDD =3。 6V， Temp=27C3V/ 口 s设计要求：1 确定设计指标（以上指标供参考，可以进行适当修改,但需说明原因）;2 根据设计指标,可以在参考电路结构基础上确定参数和改进设计，也可以查 找文献采用其它结构的电路或
3、创造新的电路结构进行设计 ；3 阅读模型文件,了解可以选用的器件类型与尺寸范围；4 手工设计:根据拟定的设计指标,初步确定满足指标的各元件的模型与参数：MOS :沟道长度与宽度，并联个数；电阻：宽度、长度、串并联个数；电容:宽度、长度、并联个数；三极管:并联个数.5.采用全典型模型，27C，验证电路是否满足设计指标；6 设计偏置电路:a）选定电路结构；b）手工设计:确定各元件的模型与尺寸；c）采用全典型模型，仿真验证偏置电流源的性能；7.将偏置电路和主体电路合在一起仿真，采用全典型模型,27C, VDD=3.6V, 要求电路达到“设计指标要求，否则应对电路结构和参数进行修改与优化，直至 满足要
4、求（可能需要多次调整），并应包括以下内容：a） 一输入端固定为0。6V参考电压，另一输入端从0V上升到3。6V （电源 电压）时的输出电压曲线与静态电流曲线，确定低频增益；以输出0.9V为 输出参考电压,确定输入失调电压（直流扫描）；b）一输入端固定为0。6V参考电压，另一输入端为信号输入,输出工作点为0.9 V时的放大特性:增益、相位、带宽、相位裕量等（交流扫描，）；c）输出工作点为0.9V时，PSRR对于频率（1Hz100KHz）的特性曲线（交 流扫描）电路参考图:門門門1 irtlL IL?沪，-Hg设计过程：原理图分析说明：根据题目说明和参考电路可知，跨导放大器(OTA )是一种电压输
5、入、电流输出的 放大器、放大倍数为跨导Gm。我们小组经过讨论分析，最后决定采用如题目所 示的参考电路.在设计电路前，我们首先分析了 OTA电路的组成和作用。 如参考电路所示：OTA电路主要包括3个部分，第一部分是带隙基准电流源,主要是给整个电路产生一个稳定的电流源； 第二部分是由电流镜组成的偏置电路,主要是给跨导放大器提供偏置电压； 第三部分是运算放大器，它是这个电路实现功能的核心部分，也是电路设计的主 要部分。分析完电路的各个组成部分和功能后，我们小组要做的便是设计各个 MOS 管的 尺寸，使之达到设计指标要求。运算放大器的设计设计思路：运算放大器是这次设计的电路的核心部分，参考电路如下所示
6、：图一.运算放大器 由图一可知，运算放大器分为两级放大，第一级是 M1-M5 构成的共源级放 大电路，第二级是 M6M13 构成的共源共栅放大电路。单端输入，单端输出. 偏置电路(电流镜部分)与M1相连，相当于给第一级放大电路提供了电流，所 以 M1 即为一个电流源。 M4、 M6 与 M5、 M7 又是两组电流镜，所以，第一级电 路又可以给第二级的放大电路提供一个电流,这样运算放大器就能正常工作。 有了这样的分析，运算放大器的设计过程也就可以确定了.设计步骤第一步：分配电流按照设计指标要求，整个电路的电流不能超过250uA,因为运方是主要的电 流消耗部分，我们设计的是给3条支路各80uA的电
7、流。第二部:分配过驱动电压：分配电流以后，为了满足输出摆幅在0.61。2V之间，就必须合理的分配 各个管子的过驱动电压，使之既能保证 MOS 管正常工作，又能满足输出摆幅和 增益的要求。我们小组的 Vod 分配如下：M1：0.8V ；M2、M3：0.25V；M4、M5：0。 3V；M6、M8：0。 3V；M7、M9:0。 2V；M10、M11、M12、M13：0.4V。W第四步：计算宽长比（三）饱和电流公式:1I =卩 c (V- V )2Ds 2 n( p) ox L GsTHV = V - VODGsTH1:.I= R cV 2Ds2 n( p ) ox L ODVod、【ds均在前面两步
8、已经分配，匕寫也是与0。5工艺MODEL相关的常数， 所以可以求出各个MOS管的宽长比.这里注意一下，讲义上给出的匕寫和Vth与仿真是有差距的，要实现仿真与理论的相切合，这里必须采用仿真的参数，利用DC point查看NMOS和PMOS的3 eff 在 0。 5u 工艺下,这些参数的值如下：NMOs :V = 0.9Vr c = 1.2038 x 10-4cm2pf / V / sTH0 oxPMOs :V =1.0VR c = 3.4536x10-5cm2pf /V /sTH0 ox根据上述公式和参数，我们可以求得各MOS管得尺寸:()=7.239()= 25.738L1L 2(3)()=1
9、4.768L 6(8)()=L 9(7)33.228第四步：根据过驱动电压来给各个MOS管的栅极分配电压:()二 7.384L 4(5)W() 二 28.955L 10-13给的偏压如下:M1栅极偏压：1.8VM7、M9栅极偏压：1。6V M10、 M11 栅极偏压： 1.7V M12、 M13 栅极偏压： 1.8V。增益公式如下：Av 二 g (r II r )m2 o 2 04Av 二 g (g r r II g r r ) m 6m9 o 2 04 m10 o10 012ro至此，计算部分就已经完成了，TTDS接下来就是仿真和电路微调式了。仿真调试:1Viirlumn，女hrnhuliE
10、 Editinfl -7 aha图二。仿真电路图1。增益带宽调试:提高增益的方法：增大L减小电流在 CADANCE 软件下仿真，搭建如图所示的电路图，并且给上前面计算的参 数,设定仿真环境和仿真变量。仿真结果显示，虽然各个管子均进入了饱和区,增 益也达到了要求的65db，但是带宽却这有1M左右,远远没有达到要求的3M. 增大带宽的办法:增大电流同时减小管子的宽长比 这些都是减小增益为代价的。 经过调试，我们小组发现，减小第一级放大电路的电流，增大第二级电路的电流, 可以显著提高带宽.所以，我们减小了第一级电路的宽长比，然后增大了第二级 电路的宽长比，终于满足了增益和带宽的要求。2。跨导调试：跨
11、导是跨导放大器的一个重要参数，跨导越大,放大效果也就越好,虽然上面我们 的增益带宽达到了要求，但是跨导却没有到达最小的900 uA/V。在老师的指导下,我们发现跨导主要与第一级放大电路和第二级电路的电流放大 能力以及第一级放大电路的输入PMOS管由管，我们增大了两级放大电路的电流 镜的宽长比，同时增大输入管M2、M3的宽长比，终于把电路的跨导提高上来，同 时增益和带宽也满足要求。3。输入共模电压范围调试:前面我们的设计都是在输入为0。6V电压的条件下实现的，但是设计要求必须在 0。11V的共模输入下都满足要求。所以，我们必须扫描共模输入，然后合理 调整各个晶体管的宽长比和偏压，使各项参数都满足
12、要求。增益、带宽、跨导的 调试都和上面一样，这里不再累述。4。电源抑制比：因为设计要求的电源抑制比要求较低，不是这个电路的难点，所以很容易满足要 求，达到 65db 以上。5。转换速率：和电源抑制比相似,转换速率也很容易的达到了要求的3V/us。带隙基准电流源设计：带线基准电流源在这个电路中起到一个电流源的作用，且要求这个电流源对 温度不敏感，敏感度在 100 以下。敏感度的计算公式如下：X106(I -1 )maxminI (T- T)27 c max min因为参考电路调试多次未能达到要求，我们参考了 CADANCE 设计电路书中 的带隙基准图,通过合理调整偏置电路的宽长比、三极管个数和电
13、阻的大小终于 设计了一款合理的带隙基准电路,设计参数和电路结构如下图所示：sVI rtuo&ow schematic Ldiitlny:Fata schstaticum= uTool a Oealyn iMmltiw Olil jVM diedt 吕 Hi O|i1iorr$Jl. JOpsoti； J5CtlllM.CU5POUp (.：rtrRMavs-t L ipcbSifjri frS el&ctFt .)图三。带隙基准电流源?.-20-23-.750-1?-?! !斤T rm nsi 口 nt R o nza护师7口-19.250.5IJIJti rri e (us)& C R 旦
14、E p 口ieo.-PhoIF.-D-21.150.0 -25.0 U 25.0 SiJ.iJ 75.0 liJiJ 125 temp (C)-21JJ图四.带隙基准仿真结果由结果可知，产生电流大小为：21.3UA,敏感度为36,符合实际要求。偏置电路设计：偏置电路是一系列电流镜，计算宽长比使运放的偏置达到设计的电压值，给 运放提供电流,偏置电路是将带隙基准电流源与运放连接起来的桥梁。完整电路图调试完整电路图如下：图五.跨导放大器完整电路图n炖啊 J 也hSiiigL引L*衍顽卅 址RV SdAiH itoclMar-Hv 1ir llw 0Piai|iul .图六。仿真电路图最终运放的宽长比第一级运放：W925 n（L）广 2u第二级运放：W()L 2-37u2u()-L 4 -5935n2u(W)45卩()W()=99.7 卩()86.86 卩L 6、81UL 7 、 91卩L 10131卩仿真结果:条件：VDD=3。6V、T=27 C、输入共模电压为1V （验收时的条件）
