模擬cmos集成電路設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告(二級(jí)放大器的設(shè)計(jì))

1、<p>　　模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p>　　--------二級(jí)運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)</p><p>　　信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子與科學(xué)技術(shù)系</p><p><b>　　一、概述：</b></p><p>　　運(yùn)算放大器是一個(gè)能將兩個(gè)輸入電壓之差放大并輸出的集成電路。運(yùn)算放大器是模擬電子技術(shù)

2、中最常見(jiàn)的電路，在某種程度上，可以把它看成一個(gè)類(lèi)似于BJT 或 FET 的電子器件。它是許多模擬系統(tǒng)和混合信號(hào)系統(tǒng)中的重要組成部分。 </p><p>　　它的主要參數(shù)包括：開(kāi)環(huán)增益、單位增益帶寬、相位閾度、輸入阻抗、輸入偏流、失調(diào)電壓、漂移、噪聲、輸入共模與差模范圍、輸出驅(qū)動(dòng)能力、建立時(shí)間與壓擺率、CMRR、PSRR以及功耗等。</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)任務(wù)：<

3、;/b></p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)二級(jí)運(yùn)算放大器，使其滿足下列設(shè)計(jì)指標(biāo)：</p><p><b>　　三、電路分析：</b></p><p><b>　　1.電路結(jié)構(gòu)：</b></p><p>　　最基本的二級(jí)運(yùn)算放大器如下圖所示，主要包括四部分：第一級(jí)放大電路、第二級(jí)放大電路、偏置電路和

4、相位補(bǔ)償電路。</p><p><b>　　2.電路描述：</b></p><p>　　輸入級(jí)放大電路由PM2、PM0、PM1和NM0、NM1組成。PM0和PM1構(gòu)成差分輸入對(duì)，使用差分對(duì)可以有效地抑制共模信號(hào)干擾；NM0和NM1構(gòu)成電流鏡作為有源負(fù)載；PM2作為恒流源為放大器第一級(jí)提供恒定的偏置電流。</p><p>　　第二級(jí)放大電路由NM

5、2和PM3構(gòu)成。NM2為共源放大器；PM3為恒流源作負(fù)載。</p><p>　　相位補(bǔ)償電路由電阻R0和電容C0構(gòu)成，跨接在第二級(jí)輸入輸出之間，構(gòu)成RC米勒補(bǔ)償。</p><p>　　此外從電流電壓轉(zhuǎn)換角度來(lái)看，PM0和PM1為第一級(jí)差分跨導(dǎo)級(jí)，將差分輸入電壓轉(zhuǎn)換為差分電流。NM0和NM1為第一級(jí)負(fù)載，將差模電流恢復(fù)為差模電壓。NM2為第二級(jí)跨導(dǎo)級(jí)，將差分電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流，而PM3再次將

6、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。</p><p>　　偏置電壓由V0和V2給出。</p><p><b>　　3.靜態(tài)特性</b></p><p><b>　　對(duì)第一級(jí)放大電路：</b></p><p>　　構(gòu)成差分對(duì)的PM0和PM1完全對(duì)稱，故有</p><p>　　Gm1=g

7、mp0=gmp1 (1)</p><p><b>　　第一級(jí)輸出電阻</b></p><p>　　Rout1=rop1||ron1 (2)</p><p><

8、;b>　　則第一級(jí)電壓增益</b></p><p>　　A1=Gm1Rout1=gmp0,1(rop1||ron1) (3)</p><p><b>　　對(duì)第二級(jí)放大電路：</b></p><p><b>　　電壓增益</b></p><p>　　A

9、2=Gm2Rout2= -gmn2(ron2||rop3) (4)</p><p>　　故總的直流開(kāi)環(huán)電壓增益</p><p>　　A0=A1A2= -gmp0,1gmn2(rop1||ron1)(ron2||rop3) (5)</p><p>　　由于所有的管子都工作在飽和區(qū)，所以對(duì)于gm我們可以用公式</p

10、><p>　　gm= (6) </p><p><b>　　進(jìn)行計(jì)算；</b></p><p>　　而電阻ro可由下式計(jì)算</p><p>　　ro= (7) </p><p&g

11、t;　　其中λ為溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)且λ∝1/L。 </p><p><b>　　4.頻率特性</b></p><p>　　第一級(jí)輸出節(jié)點(diǎn)到地的總電容Cout1</p><p>　　Cout1=CGDP1+CDBP1+CGDN1+CDBN1+CGSN2 （8）</p><p>　　第二級(jí)輸出節(jié)點(diǎn)到

12、地的總電容Cout2</p><p>　　Cout2=CDBN2+CDBP3+CGDP3+CL (9)</p><p><b>　　列出KCL方程：</b></p><p>　　（10） </p><p><b>　?。?1）</b></

13、p><p>　　聯(lián)立（10）、（11）消去中間變量Vi2得電路的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?2）</b></p><p>　　其中a=[Cout1Cout2+C0(Cout1+Cout2)]Rout1Rout2 </p><p>　　b=Cout1Rout1+Cout2Rout2+C0(G

14、m2Rout1Rout2+Rout1+Rout2) (13)</p><p>　　由式（12）可得零點(diǎn)</p><p><b>　　（14）</b></p><p>　　再看式（12）分母部分，對(duì)于形如as2+bs+1=0的方程，如果有兩個(gè)實(shí)根并相距很遠(yuǎn)，有s1= -c/b, s2= -b/a。由此得兩個(gè)實(shí)根分別為</p>

15、<p><b>　　(15)</b></p><p><b>　　(16)</b></p><p><b>　　于是電路的主極點(diǎn)</b></p><p><b>　　(17)</b></p><p><b>　　而次級(jí)點(diǎn)</b&g

16、t;</p><p><b>　　(18)</b></p><p>　　由于Cout2和C0遠(yuǎn)大于Cout1，而Cout1中主要的部分為CGSN2，Cout2中則以CL為主，經(jīng)過(guò)適當(dāng)近似可得單位增益帶寬為</p><p><b>　　(19)</b></p><p><b>　　四、設(shè)計(jì)步

17、驟：</b></p><p><b>　　1）原理圖繪制</b></p><p>　　①根據(jù)設(shè)計(jì)好的電路圖選擇并添加需要的器件；</p><p>　?、趯⒏鱾€(gè)器件擺放好位置并連線；</p><p>　　③根據(jù)設(shè)計(jì)要求將VDD設(shè)置成1.1V，CL設(shè)置成100fF，輸入交流信號(hào)5uV，1MHz；</p>

18、;<p>　?、艹跏荚O(shè)置所有管子的寬長(zhǎng)比為50u/200n,輸入直流偏置300mV； </p><p><b>　　參數(shù)調(diào)節(jié)</b></p><p><b>　　第一級(jí)：</b></p><p>　?、偈紫纫ＷCPM2工作在飽和區(qū)，P管的閾值電壓VTHP在420mV左右要保證VSGP>VTHP，要求VD

19、D-Vb>VTHP，于是需要Vb<680mV，設(shè)置直流偏置Vb=450mV；由于PM2是作為恒流源，所以其L不能太小，設(shè)置L=600n,此時(shí)可通過(guò)仿真查看直流工作點(diǎn)，觀察到PM2漏極電壓超過(guò)1V，工作在線性區(qū)，增大PM2、PM0、PM1、NM0、NM1的寬長(zhǎng)比，使得PM2工作在飽和區(qū)。調(diào)節(jié)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)到一定程度后再調(diào)節(jié)寬長(zhǎng)比影響不大但并未達(dá)到要求，調(diào)節(jié)輸入直流偏置至200mV，PM2工作在飽和區(qū)且流經(jīng)PM2的電流大于1mA；

20、</p><p>　?、谡{(diào)節(jié)PM0、PM1、NM0、NM1使得第一級(jí)增益在20dB左右：</p><p><b>　　第二級(jí)：</b></p><p>　　①調(diào)節(jié)電阻R0和電容C0，使第二級(jí)輸出的3dB帶寬大于20MHz；</p><p>　　同時(shí)跟蹤觀察相位裕量，使其大于60度，增大電容C0可以增加相位裕量；</

21、p><p>　?、趯M3管L設(shè)成600n并增大其寬長(zhǎng)比，同時(shí)減小NM2的寬長(zhǎng)比可提高增益，調(diào)節(jié)使增益帶寬都滿足條件；</p><p><b>　　R0=250Ω</b></p><p><b>　　C0=300fF;</b></p><p><b>　　V0=450mV;</b>

22、</p><p><b>　　V2=200mV;</b></p><p><b>　　對(duì)照原理圖如下：</b></p><p><b>　　仿真</b></p><p>　　設(shè)置好仿真參數(shù)如下：</p><p><b>　　進(jìn)行仿真</b

23、></p><p><b>　　仿真結(jié)果：</b></p><p><b>　　1）增益和帶寬：</b></p><p>　　從圖上可以得出最大增益>40dB，3dB帶寬>20MHz,符合要求；</p><p><b>　　2）相位裕量：</b></p&

24、gt;<p>　　計(jì)算結(jié)果為-117.5+180=62.5度，符合設(shè)計(jì)要求；</p><p><b>　　3）瞬態(tài)響應(yīng)：</b></p><p><b>　　直流和交流仿真圖：</b></p><p>　　從以上三圖也可以看出增益帶寬和相位裕度是符合要求的。</p><p><b

25、>　　第一級(jí)增益：</b></p><p>　　可以看出第一級(jí)增益在17dB左右。</p><p><b>　　直流工作點(diǎn)：</b></p><p>　　可見(jiàn)各個(gè)管子都正常工作。</p><p>　　綜上：從仿真結(jié)果來(lái)看，二級(jí)運(yùn)放設(shè)計(jì)成功。</p><p><b>　　

26、實(shí)驗(yàn)心得和小結(jié)</b></p><p>　　本次實(shí)驗(yàn)最大的收獲就是對(duì)cadence這個(gè)軟件的操作有了更為熟悉的了解，學(xué)會(huì)了怎樣利用這款軟件去仿真并計(jì)算其帶寬、增益、相位裕量等。除此之外實(shí)驗(yàn)過(guò)程中與同學(xué)和師兄的交流讓我對(duì)二級(jí)米勒運(yùn)算放大器有了更加深刻的認(rèn)識(shí)?？偟膩?lái)說(shuō)，這次課程設(shè)計(jì)很有意義。</p><p><b>　　思考題</b></p>&

27、lt;p>　　1、兩級(jí)放大器中電阻R的作用？取多大比較合適？</p><p>　　答：電阻R可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)移函數(shù)的零點(diǎn)位置，進(jìn)行零極點(diǎn)補(bǔ)償，調(diào)節(jié)R可以調(diào)節(jié)帶寬和相位裕量；R不宜過(guò)大也不宜過(guò)小，取百歐量級(jí)比較合適。</p><p>　　兩級(jí)放大器中米勒電容C的作用？取多大比較合適？</p><p>　　答：米勒電容C0用于相位補(bǔ)償，調(diào)節(jié)C0可以顯著影響相位裕量；實(shí)驗(yàn)