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2016套筒式运放器指导书.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.74M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    《模拟集成电路分析与设计课程设计》指导书 题目：套筒式运算放大器仿真与优化 指导老师：朱玮 联系方式：wzhu@chd.edu.cn 一、课程设计目的 复习、巩固模拟集成电路课程所学知识，运用软件 candence，在一定的工 艺模型基础上，完成一个套筒式运放器的电路结构设计、参数手工估算和电路仿 真验证，并根据仿真结果与指标间的折衷关系，对重点指标进行优化，掌握电路 分析、电路设计的基本方法，加深对运放相关知识点的理解，培养分析问题、解 决问题的能力。 二、实验目标和要求 1) 学习 cadence 工具的基本设计流程； 2) 了解运放器的工作原理，对运放器进行设计和优化； 3) 结合理论知识与实际操作，加深对理论知识的理解； 4) 完成课程设计报告。 三、设计参数和要求 1 设计参数（供参考）： 工艺库 VDD 温度 功率 DC Gain 相位裕度 CMRR PSRR 输出摆幅 电容 0.35um P-sub CMOS Process 3.3V 25 <10mW >60dB >45deg >30dB >30dB >2.5V 1~2pF 表 1：设计参数表
    2 设计要求： 1) 给出满足题目要求的电路图； 2) 根据设计目标，计算各 MOS 管的尺寸，各个结点的偏置电压和电流； 3) 利用 cadence 对电路进行仿真，仿真内容包括：DC、AC 及瞬态仿真、幅频 及相频特性曲线、直流开环增益、单位增益带宽、共模抑制比、电源抑制比、 输出电压摆幅、功耗等； 4) 对结果进行分析，并设计优化电路（共模反馈和二级放大电路）提高套筒式 共源共栅运放器的输出摆幅； 5) 若对参数进行改动，应说明改动原因。 3 设计报告要求 1) 设计指标的确定及原因； 2) 电路结构的确定及原因； 3) 电路原理论述，具体到每个 MOS 管的作用； 4) 每个晶体管沟道长度与宽度的确定依据，所用电阻电容的选取依据； 5) 设计过程； 6) 完成设计要求中的各种波形和性能指标:幅相和频相特性、带宽增益； 7) 仿真结果的总结与改进（思考与感想）。 四、设计基础 1 套筒式运放器 提高输入跨导和输入阻抗可以优化单级运算放大器的增益性能。提高输入阻 抗比提高输入跨导更具有研究价值。在电路结构中添置一个共源共栅放大器会显 著提高阻抗值，套筒式共源共栅结构应运而生。伴随着共源共栅结构的加入，P 管和 N 管的输出阻抗增大，以共源共栅差动的形式，使电路获得理想的增益，较 高的速度、低功率损耗、低噪声效应。但相应地，电路的输出摆幅得到约束。 1）参考电路 如图 1 所示的双端输出套筒式共源共栅运放器电路。晶体管 1 和 3 以及管 2 和 4 组成共源共栅放大器，而晶体管 5、6、7、8 组成共源共栅电流源负载。为 了简化设计过程，设计中所需的偏置电流可以直接由电源提供。
    图 1 套筒式共源共栅运算放大器双端输出参考电路 图 2 筒式共源共栅运算放大器单端输出参考电路 单端输出需要一个从输出端到地的电容实现弥勒补偿，以增加电路结构的稳 定性。 2）运放的小信号操作 图 3 运放的小信号操作
    以图 1 双端输出套筒式共源共栅运放为例，其开环输出阻抗为 因此，运放的开环直流增益表达如下 3 参数计算 注意所有的 PMOS 衬底接电源，NMOS 衬底接地，并且所有的 MOS 管需要工作 在饱和区。需要偏置电流可直接用电压源代替。 1）进行合理的电流和过驱动电压分配 2）宽长比的确定 通过电流与过驱动电压的关系式确定宽长比: 根据每个管子的阈值电压，以及工作在饱和区的条件确定 MOS 管的具体宽长比。 五 软件模拟 1 模型参数查看： 在 Windows 系统的 PC 机上启动 linux 虚拟机。点击鼠标右键，打开虚拟 机命令窗口（如图 4 所示），输入图中指令，打开本次设计所需的模型。在 打开的模型文件（.scs）中，输入/mn 即可看到本次所使用的 noms 的相关 参数（如图 5 所示）。 图 4
    图 5 2 建立工作环境： 1）建库: 打开桌面 icfb 图标，在 CIW 窗口依次点击 File、New、Library（如图 6 所示）。在所弹出的窗口中输入此次设计的名字 Telescopic，在右边选择第 一个然后点击 OK，在弹出窗口添加工艺库文件 xxx.tf(如图 7 所示)。 图 6 图 7 2）建立原理图编译窗口： 在 CIW 窗口中，依次点击 File、New、Cellview，进行如图 8 所示设置。
    图 8 3）原理图设计： 在原理图编辑窗口中，点击键盘上字母 I，出现如图 9 所示窗口，选择 analoglib，选择 nmos4 等所需的器件。 点击键盘上的字母 P，添加所需的输入、输出端口，最后连接每一个器 件，再在所需的地方给线命名，完成原理图的设计（如图 10 所示）。 图 9 图 10
    4）参数设定： I）过驱动电压分配： 按照工程上的常规设计，将输入管的过驱动电压 Von 设为 0.2V，负载管 的过驱动电压设为 0.2 到 0.5V，尾电流管设为 0.3 到 0.5V。此次设计中， M0 过驱动电压为 0.3V，M1 到 M4 过驱动电压 0.2V，M5 到 M8 过驱动电压为 0.3V 。 II）M0 管偏置电压： 将所有 mose 设置为两个管子并联。把 M0 管的漏极电压潜位到 0.3V，然 后打开仿真环境编译窗口（如图 11 所示）。 图 11 依次点击 Setup、Model Library，选择仿真模型，Section 设置为 tt（如 图 12 所示）。 图 12 打开扫描选项，选择瞬态扫描。打印出 M0 的仿真参数，如图 13 所示， 可见其 Vth=747.1mV。所以其偏置电压设为 1.075V。
    5）宽长比的设定： 图 13 对 M0 进行 DC 扫描，选择对 M0 模型参数 W 扫描，扫描范围为 1uM 到 20uM。选择扫描输出结果为 M0 的漏极电流，扫描结果如图 14 所示。选 择漏极电流为 20uA，其所对应的宽为 9.3965uM。 图 14 取 M1、M3、M7 管子的漏极电流为 M0 管子的一半，对其余除 M5、M6 之外的 mose 以相同于 M0 的方式进行偏置电压和宽长比设定。 五、考核与评价 该门设计实验课程的考核将采取现场验收和设计报告相结合的方式。学生
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