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1、模拟集成电路设计基础实验报告1 实验目的1.1掌握并熟练cadence软件对原理图进行电路仿真；1 . 2了解基本电路的输入输出特性和工作原理；1.3深入理解mos管参数的改变对电路的影响。2 实验要求2.1启动cadence，建立库及Cellview文件；2.2 输入电路图；2.3 设置仿真环境；2.4 仿真并查看仿真结果，绘制曲线；2.5改变mos管参数并分析结果。2.6 为了便于计算，根据一级 spice 模型， nmos 器件理论值为：C = 6.9fF / um2u = 100cm2 / v/ s ， u = 350cm2/v / sox ， p nv = 0.7v 卩 c 1.34
2、225c104f/V/s 卩 C 沁 3.835x10-5F/ V/sTH ， n ox p ox3共源级放大器性能分析3.1 采用电阻负载共源级图 1 电阻负载的共源级电路v二v - (1/2)Ru C (w/1)(v - v )2 (忽略沟道长度调制效应) out ddn oxin out(1)直流分析V =1.8V, V 参数扫描范围 0-2V, R=5kQ, nmos 宽长比 3.6u/180n=20. dd in图 2 直流仿真结果MOS管工作在饱和区时：V 二V -(1/2)Ru C (w/1 )(V -V )2.MOS管工作out ddn oxin TH在线性区时：V 二 V -
3、(1/2)Ru C (w/1)(2( V -V)V -V2)out ddn oxinTHoutFl图3 gm图在饱和区g二u C (w/1 )(V -V )，当V V时，跨导开始增大；在线性区m n oxgs THin THg二u C (w/1 )V，当V V 时，g将会下降.m n oxDSin m axmV -V = V二 V - (1/2)Ru C (w/1 )(V - V )2m axTH out ddn oxin TH这个仿真结果表示，当V =0.72V时跨导最大。对电阻r1进行参数化扫描。 in图 5 参数化扫描结果Wat仙It; INsmn4Add sped (lea uon J
4、FramZTcFromTOSelsctOniur富牺盟-JEtep SizeiRafigt; Typestep controli仿真结果表明，共源放大器的增益（图中斜线的斜率）随输出电阻的增大而增大，而输入输出摆幅却随输出电阻的增大而变小。（2）AC仿真V =0.55V、ACM=1V, R=10kQ, V =1.8V 频率扫描范围为 lOOk-lOOG。-inddAC KeSDOnSBMMO(4.66ir-JlH7. 5需m107id81091J10 1011|nikH? | c 7?Vfreq (Hz)* Left mouse 匚litkto plac已 marker.从图中可以看出此时放大
5、器低频时的增益约为5.7，当频率超过109Hz时,增益开始下降。由公式A =RP Cox (V V )n L in TH=gmRD可知在偏置电压不变的情况下，固定输出电阻和mos管的宽长比两个参数中的一个，则放大器增益与另一个呈正比。其它参数不变对电阻R进行参数扫描,扫描范围10k-50k,步长10k.閻lirtniiii：1 书3 Bfi BiB H|h/ LufI I -!IX .fMUC 斥伸 JI -为H :曲削 叮OKma 目期：啟枕Li7LO3Ma卜打2吋口I| RIM丹 I- 承可* I uriM13 an耳up Jimii-fr A Tbttwhi ikA-3 ：-巴1 如+B
6、 MTHrll .口曲FEn1 O CTJMTi .5图7 对电阻参数化扫描结果这个结果表明，在一定范围，放大器增益与电阻成正比。V =0.55V、ACM=1V,inR=10kQ, V =1.8V。对mos管width进行参数扫描，扫描范围lu-9u,步长1.8u。ddAC RESUCm狛皿 21.0口Ut 测.Suj/vout si”5.4u;/vout Siv-7.2out 3W9u;/voutLfreq (Hz)S9.5SKH2这个结果表明，在一定范围，放大器增益与 MOS 管宽长比成正比。3）瞬态仿真电路图图 9 瞬态仿真电路图交流信号源参数设置CDF Parameternigni1u
7、daPiC phaseDC voltag已Offssi VQltagsAmplitudeFrequencyValueDisplayrroffofforr -i Ioffofforr -i I图 10 参数设置nciav timifli图 11 瞬态仿真仿真结果可以看出此时在直流电压 0.55v 上叠加了一个幅度为 0.1mv 频率为 1kHz 正 弦信号。从图中正弦的幅度可以看出，输入的小信号 0.1mv 被放大了 6 倍。3.2 采用二极管连接的负载的共源级3.2.1 电路原理图Vdd-u1S0nNM0 Nl.l :22QnNH1 “nlB r;220nI: .=；0r mJ图 12 二极管
8、负载的共源级电路图电源电压Vdd取1.8v, V1=Vin, ACm为1v(用于看增益)。nmos管的模型为 n18,沟道宽度w为3.6um,栅长l为0.6um。二极管连接的nmos管的模型为nl& 沟道宽度w为3.6um，栅长l为0.6um。(1) 直流仿真Vin变化0-21.0DC ResponseS,Vaut4977|TJ579V亠、图 13 直流仿真结果从图中可以发现以二极管为负载的共源放大器的输入输出曲线 在起始部分，即 VinVth 的时候，由于体效应的影响并不像以电阻为 负载时那样平直.现在将 M1 管宽设为变量，并对其进行参数化扫描。扫描范围 1u-30u, 步 长 3u 。图
9、 14 参数化扫描结果从图中可以看出，我们希望得到的是w=1u的曲线图，为使增益尽量提高,故取w=lu,v=0.6v.对电路进行AC仿真。AC 仿真。根据仿真结果，Au约为3。C334. EB5Efcai2.05E99fgbd1. 0E532p扣5J.7417agds2.B72E6u199.qnbs53.B5L6ugndvecid2.BD76Sil71.10B5u13-Tl.lOESu7Se./-42m|：n0619. 088uq gamcssbi ghd gtis gds6.76193p1. 39459p3 93905f1. 02642u78642m600ml r图 16 nmos 和 pm
10、os 管参数gpnbs gpnoverid11182. 242u8. 7062S71. 1085u可以看到此时作为负载的Ml管的g =199.65u,所以此时的输出电阻约为1/gmm5kQ。作为输入器件的mos管的跨导g =619.088u,根据公式：mA心一ugm0gm1可以算出A心3.1和图中显示的增益基本相同。u另由公式A 上n (W / 1)1u V (w /1)p2知可以通过改变两个mos管的宽长比来调节放大器的增益。为了验证这个公式， 将改变扫描参数进行仿真，保持Ml的宽长比不变w=1u, l=0.6u对M0的宽长比 进行扫描仿真。M0的初始值w=1u,l=0.6u.扫描范围1u-
11、30u,步长5u。图 17 参数化扫描结果VlIhjebDisjplaryOffoff -I IoronoffoffTrT“ FiimwiiI ( L JllL :-KE2JV图 19 电流源负载的共源级这个结果验证了上面的公式。（2）瞬态仿真CDF ParafFietjirAC magniM 艙AC 卩baseDC voltageOffset vntfiageArnplitjundeFiiquoticy图 18 参数设置与仿真结果可以看出此时在直流电压 0.55v 上叠加了一个幅度为 0.1mv 频率为 1kHz 正弦信号。从图中正弦的幅度可以看出，输入的小信号 0.1mv 被放大了 4 倍
12、。3.3 电流源负载的共源级1）DC 仿真Vb=lV。其他参数如上图所示。Vin变化范围0-1.8V.DC Respunse/vout|,52532|1.5305(/图 20 直流仿真结果 从扫描结果可以看出与前两种放大器相比，电流源负载的共源放大器不仅增 益较高而且输出摆幅也较大。（2）AC 仿真Vb=lV。Vin初始值为0.55v.其他参数AC仿真一样。AC扫描频率范围为1k-10G。图 21 交流仿真结果仿真结果显示，增益约为21.仿真结果显示：电流源做负载对增益有很大的 提高。（3）瞬态仿真将上面电路中的输入电压源vdc换为交流电压源vsin，并对它的参数做与 前面相同的设置。然后进行
13、 tran 仿真。ao2.5Transient Response/vout1 2511 25i1 24658252us1 24746V5.D time (ms)1.291 2羽图 22 瞬态仿真结果从这个结果可以看出，输入的小信号 0.1mv 被放大了 4 倍3.3.4 带源级负反馈的共源级电路原理图及部分参数图 23 带源级负反馈的共源级电路(1)DC 仿真 相关参数设置图 24 直流仿真参数设置当RHO时!iH I1H hSft* KSff 3 I fifl- WIH MM f疋 TS虔CU! jIHflfcifiter IR 53K4*!1* dF 匸 4応 匚 1“口*亠Z G|n *-*口甲图 25 仿真结果R=0 时图 26 仿真结果图26是因为在小电流时，l/gRs,所以Gm屯图25所示，随着过驱电压 增大，g变大由于负反馈效应，又Gm=g/(1+gR), 1+gR变得更显著，V较大时, mmmminI 近似为线性， Gm 接近于 1/Rs 。 ds
