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两级放大器.doc

发布时间：2022-06-03 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.20M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    两极运算放大器
    1.设计目的：
    2.第一级电路设计步骤：
    3.第一级电路的仿真过程
    4.第一级放大器仿真及其参量修正
    5.第一级电路仿真结果
    6.第二级电路设计步骤
    7.第二级电路的仿真过程
    8.第二级放大器仿真及其参量修正
    9.第二级电路仿真结果
    10.二级放大器
    11.两级放大器的仿真结果
    12.对于稳定性的分析
    西安交通大学国家集成电路人才培养基地 国家集成电路人才培养基地 模拟电路高级实验（5） 两极运算放大器 2006-07
    西安交通大学国家集成电路人才培养基地 第 I页，共 30页
    西安交通大学国家集成电路人才培养基地 1. 设计目的： 设计两级共源共栅运算放大器，使其满足当 VDD=3.3V 时，功率 P=16.5mW，相位裕度 PM≥60o，直流增益为 Av＝80dB，单位增益带宽要求 150MHz。使用 SMIC 0.18um 3.3V CMOS 工艺 3.3V 晶体管模型。 学习差动放大器 DC 扫描、AC、瞬态分析的方法。 参数给定：COX=(εsiεo)/tox 其中εsi=8.85*10-12，εo=3.9，tox =6.62nm； un=350cm2，up=92.5 cm2。 2. 第一级电路设计步骤： 两级运放的设计，第一级运放主要为了提高增益，第二级主要为了增大输出电压摆幅。 根据直流增益 100dB 的要求，一般第二级运放(共源级)的增益只有 10 左右，所以第一级运 放的增益至少要达到 1000，即 60dB。 1． 启动 cadcene 工具：在 Terminal 中输入 cds.setup 2． 第一级电路设计 icfb& 按照下图进行电路设计，第一级运放采用套筒式共源共栅电路 第 1页，共 30页
    两级运算放大器 图一 第一级电路设计图形 注意：i). 所有的 pmos 管的衬底都必须接电源；所有 nmos 管的衬底都必须接地 ii). 直接用电压源给出偏置电压。 3． 参数计算 完成了电路图的基本结构之后，接下来就是给每个元件加入设计量，这样就需要对各个 器件的参数进行分配和计算。从图中的 mos 管的标号定义：pmos 共源共栅管从上到下依次 为 M0，M1，M2，M3；nmos 共栅管为 M4，M5；输入管为 M6，M7；输入端的尾电流源 mos 管为 M8。pmos 管的 model name 取 p33，nmos 管为 n33。 1) 电流的分配 由于 VDD=3.3V，功率 P=16.5mW，则总的电流为 IDS＝16.50mW/3.3V＝5mA。给第一级 分配 3mA 电流，第二级分配 2mA 电流。对于第一级而言两条支路是完全对称，所以给每条 之路分配 1.5mA 的电流，即所有 mos 管（除 M8 外）的电流均为 1.5mA；而对于 M8 的电流 第 2页，共 30页
    西安交通大学国家集成电路人才培养基地 值为两个输入支路电流之和，即为 3mA。 2) 过驱动电压的分配 由于题目没有要求输出摆幅的大小，可以从流过 mos 管的电流的大小来确定分配给它 们的过驱动电压的大小，以此为标准分配过驱动电压。M8 管获得的电流较大，给它分配相 对较大的过驱动电压，为 VOD8=0.4V；而对于其他 mos 管的过驱动电压的分配考虑 pmos 管 的 up 一般小于 nmos 管的 un，所以分配给 pmos 管的过驱动电压一般要大于分配给 nmos 管 的过驱动电压，此处给 pmos 管分配 0.35V 过驱动电压，而给 nmos 管分配 0.3V 过驱动电压。 3) 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，由于所有 mos 管都必须工作在饱和区， 所以使用饱和区的电流－过驱动电压的关系： Nmos 管： IDS＝1/2unCOX（W/L）（VGS－Vth）2＝1/2un COXVOD2 ＝>（W/L）=( unCOX VOD2) /(2 IDS) Pmos 管： IDS＝1/2upCOX（W/L）（VGS－Vth）2＝1/2upCOXVOD2 ＝>（W/L）=(upCOX VOD2) /(2 IDS) 根据公式可得所有 mos 管的宽长比，分别为： （W/L）0－3＝507.58；（W/L）4－7＝182.585；（W/L）8＝205.41。 根据上面求出的宽长比确定宽度和长度。由于使用工艺库，取 L＝350nm，同样可以得 到各种 W 值 W0，1。2。3＝177.65um，W4，5，6，7＝63.9um，W8＝71.89um。 4) 分配初始偏置电压值 mos 管阈值电压的初始值由工艺库中给定，给定的 pmos 管的阈值电压为 Vth＝－0.663V， pmos 管的阈值电压为 Vth＝0.713V，这些值将在仿真过程中修正。 i). pmos 管 M0，M1，的过驱动电压为 VOD0＝VOD1＝0.35V，而|Vth|＝0.663V，则偏置电压源 电压为 V0＝3.3V－（0.663V＋0.35V）＝2.287V。 ii). pmos 管 M2，M3 的过驱动电压为 VOD2＝VOD3＝0.35V，而|Vth|＝0.663V，则偏置电压源电 压为 V0＝3.3V－（0.663V＋0.35V＋0.35V）＝1.937V。 iii).nmos 管 M8 的过驱动电压为 VOD8＝0.4V，而 Vth＝0.713V， 则偏置电压源电压为 V0＝0.713V＋0.4V＝1.113V。 iv).nmos 管 M6，M7 的过驱动电压（输入管的偏置直流电压部分）为 VOD6＝VOD7＝0.3V，而 Vth＝0.713V，则偏置电压源电压为 V0＝0.713V＋0.3V+0.4V＝1.413V。 v).nmos 管 M4，M5 的过驱动电压为 VOD4＝VOD5＝0.3V，而 Vth＝0.713V，则偏置电压源电压 为 V0＝0.713V＋0.3V＋0.3V+0.4V＝1.713V。 根据给定的初始的偏置电压给各个偏置电压源加值。 4． 生成 symbol 图形 Symbol 的生成过成：我们选择在已经制作好的 cell view 中建立它的 symbol，点击 Design－>Create Cell View－>From Cell View，这样就可以直接从已经建好的 cell view 的 schematic 中建立了它的 symbol 文件。 建立的 symbol 的图形(可以改变图形形状)，如下图所示： 第 3页，共 30页
    两级运算放大器 图二 生成的 symbol 图形 5． 加入激励 对于已经生成 symbol 的图形，需要给输入端加入激励之后才能够进行仿真。需要生成 一个新的 cell view 作仿真，此处起名为 sim_two-Amp1，易于统一名称。 Cell view 的生成同上所述，在 cell view 的设计过程中加入刚刚设计的第一级套筒式共 源共栅放大器作为仿真模型，对其输入端加激励，如下图所示： 图三 加入激励后的 cell view 激励加入后需对所加入的电压源的参数作说明。由于设计的放大器是差动式共源共栅放 大器，所以差动电路的输入为两个方向相反的 Vsin 信号分别加在输入两端。为了使用方便 将 Vsin 电压源的 DC 部分设定为参变量，分别为 vdm1，vdm2。在仿真的时候再给其赋值， 而对于 Vsin 信号还需要设定一些 AC（交流）分析和 tran（瞬态）分析的变量，如下图所示： 第 4页，共 30页
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