模擬集成電路課程設(shè)計

1、.模擬集成電路課程設(shè)計CMOS 兩級運放設(shè)計一、摘要本課程設(shè)計要求完成一個兩級運放的設(shè)計，采用設(shè)計工藝為CMOS的 0.35um 工藝技術(shù)，該工藝下器件可以等效為長溝道器件，在分析計算時可采用一級模型進行計算。本次設(shè)計主要了對于共模輸入電壓等指標提出了要求，詳見下表。 在正文中將就如何滿足這些指標進行分析與討論，并將計算結(jié)果利用cadence 進行仿真，得出在0.35um 工藝電路的工作情況。二、電路分析課程設(shè)計的電路圖如下：輸入級（第一級）放大電路由 M1-M5 組成，其中 M1 與 M2 為 NMOS 差分輸入對管， M3 與 M4 為 PMOS 有源負載， M5 為第一級提供恒定的偏置電

2、流。輸出級（第二級）放大電路由M6、 M7 以及跨接在M6 柵漏兩端（即第二級電路輸入與輸出兩端）的電容Cc 組成，其中PMOS 管 M6 為共源極接法，用于實現(xiàn)信號的放大，而M7 與 M5 功能相同，為第二級提供恒定的偏置電流，同時M7 還作為第二級的輸出負載。Cc 將用于實現(xiàn)第二級電路的密勒補償，改變Cc 的值可以用于實現(xiàn)電路中主極點與非主極點分離等功能。偏置電路由恒流源IB 和以二極管形式連接的M8 組成，其中M8 與 M5 ， M7 形成電流鏡， M5 和 M7 為相應(yīng)電路提供電流的大小由其與M8 的寬長比的比值來決定。.'.三、設(shè)計指標本模塊將根據(jù)設(shè)計要求的指標逐一進行分析：

3、開環(huán)直流增益：考慮直流增益時忽略所有電容的影響，畫小信號圖如下：Gm1*Vinro2,4Vds1Gm6*Vds1ro6,7Vout由小信號圖可以得到電路中的直流增益為：式中，考慮到差分輸入對管的一致性，故，從而，故上述表達式中用代為表示。同時，考慮到下式：以及表達式：從而可以將直流增益表達式表述為：同時可以將用替換，可以得出增益的大小在設(shè)計時只與MOS 管的過驅(qū)動電壓和溝道長度有關(guān)，當過驅(qū)動電壓確定時（一般選取0.2V），則需要通過增加溝道長度L 來提高增益。由于對于 0.35um 的工藝庫并不熟悉， 可以通過對單管進行dc 仿真，得到所需的厄利電壓等參數(shù)， 但在實際應(yīng)用中并不需要，主要做法是

4、根據(jù)計算得到的電路偏置電流，通過確定的過驅(qū)動電壓進行單管仿真得到合適寬長比的工作在飽和區(qū)的MOS 管。單位增益帶寬（ GBW）：分析 GBW 時需要考慮電路在高頻條件下的工作情況，小信號圖如下：CcGm1*Vinro2,4Vds1ro6,7CLGm6*Vds1VoutCn1（ 為、以及之和，同理）上圖中忽略了 M3 點產(chǎn)生的極點，原因有兩個：1. M3 點產(chǎn)生的極點大小為，約等于，在 GBW 之外； 2. 由于小信號電流經(jīng)過 M1 再經(jīng)過 M3 ，M4 電流鏡與直接經(jīng)過M2 到達輸出的電流兩者之間為相加形式，即產(chǎn)生了一個前饋通路，.'.從而將引入一個零點，又由于兩條通路的放大倍數(shù)一致，

5、從而引入的零點為極點的兩倍。引入的零點將對極點進行補償，進一步削弱了極點對增益以及相位裕度的影響，從而對于 M3 點的極點可以忽略。對于上圖中的情況進行分析可得到有極點：同時還存在一個零點為：由于，所以主極點為，從而得到同時考慮到相位裕度的要求， 由于負極點以及正零點均會是相位惡化， 對于雙極點系統(tǒng)，通常要求：（對于本課程設(shè)計考慮到有正零點介入，將在電路設(shè)計中具體分析。）所以對于零點越遠，其與GBW 的關(guān)系基本由和的比值決定，越大越好；對于非主極點，從表達式中可以看出Cc 越大， GBW 越?。ㄔ叫。?，越大，可視為實現(xiàn)了兩個極點的分離?？梢越普J為需要滿足以下要求：當時，所以對于給定設(shè)計要求G

6、BW，可以確定Cc 然后通過調(diào)節(jié)和的比值來實現(xiàn)GBW和相位裕度。相位裕度（ PM）：指標設(shè)計要求如上所述。可以采用下式進行設(shè)計時的估算：其中為 M3 處的零極點對引入的相位裕度的變化，可以近似為（該數(shù)據(jù)參看Sansen書，模擬集成電路設(shè)計精粹）。轉(zhuǎn)換速率（ SR）：對于本課程設(shè)計中的轉(zhuǎn)換速率可以分兩部分來討論，一部分是對于Cc進行充放電的內(nèi)部轉(zhuǎn)換速率，另一部分則是對于進行充放電的外部轉(zhuǎn)換速率。.'.如左圖所示對于一個大的負輸入階躍信號，則 M2 截止，電流全部從 M1 、M3 流過， M4 由于電流鏡作用也會產(chǎn)生相同大小的電流，這部分電流將從Cc 流過，在Cc 上產(chǎn)生一個電壓梯度，斜率

7、為，若 M7 在變化過程中能夠提供足夠的電流給M6 ，則保持不變，從而輸出節(jié)點成如上述梯度下降。對于大的正輸入階躍信號，同理。所以對于內(nèi)部Cc 充放電的內(nèi)部SR的表達式可以表示為：同理對于的充放電得到的外部轉(zhuǎn)換速率進行分析，主要考慮對于的放電過程， 因為放電過程中M6 有大的過驅(qū)動電壓可以實現(xiàn)快速充電。放電時， 對應(yīng)的為一個大的負輸入階躍信號的情況，由于受偏置電流及相互間的寬長比控制，可視為恒定值，同時也需要占用一部分，所以能夠提供給的電流大小為，所以對于外部節(jié)點的轉(zhuǎn)換速率大小為：而整個電路的SR大小為：。靜態(tài)電流 ：本次課程設(shè)計中的靜態(tài)電流總和可以表示為：根據(jù)仿真結(jié)果對電流進行累加可以得到，

8、從而四、電路設(shè)計根據(jù)以上對于設(shè)計指標的理論分析，結(jié)合本次課程的實際設(shè)計要求，對電路進行如下設(shè)計：預(yù)先設(shè)計所有MOS 管過驅(qū)動電壓為0.2V，以確保MOS 管都能工作在飽和區(qū)。設(shè)計，這樣實現(xiàn)了極點分離要求大而 GBW 的設(shè)計要求小的折中選擇。1. 根據(jù) GBW 的表達式： GBW>30MHz從上式可以計算的，即.'.2. 根據(jù)相位裕度的要求： PM>60為實現(xiàn)相位裕度的要求，用下式進行估算：由于，所以 p2=，要求p23GBW（當 p2=3GBW 時， PM=60.2 ），即非主極點在 3GBW 之外，零點在9 倍 GBW 之外能夠?qū)崿F(xiàn)。則可以得到下式：即對于相同的，則可以得

9、到：3. 根據(jù) SR的表達式： SR>30V/us根據(jù)前兩個分析得到的結(jié)果：所以得到：進一步計算得到：；將該結(jié)果與GBW 分析中得到的結(jié)果進行比較可以得到，同時滿足SR與 GBW 要求：4. 直流增益的實現(xiàn)： Av>60dB同時利用，可以得到 :.'.從上式可以得到至于溝道長度L 和過驅(qū)動電壓有關(guān)，在過驅(qū)動電壓設(shè)置為0.2V 的情況下，為實現(xiàn)大的直流增益，需要增大溝道長度L，故統(tǒng)一選取MOS 管溝道長度L=3Lmin=1um，采用此溝道長度來進行設(shè)計。5. 寬長比數(shù)據(jù)設(shè)定：由于對于工藝庫沒有了解，不清楚uCox 等參數(shù)的數(shù)據(jù)，所以采用仿真的的方法設(shè)計出在確定偏置電流和過驅(qū)動

10、電壓下合適的MOS 管寬長比。出于留足余量的考慮，同時由于功耗要求相對寬裕，設(shè)計時取，。設(shè)計寬長比參數(shù)如下：五、Cadence 仿真Av 圖，零極點圖，電路圖，六、結(jié)論與討論本次課程設(shè)計結(jié)合我本人所上的ASIC實驗的課程設(shè)計利用Cadence 設(shè)計完成，對于自己完成的設(shè)計總體來說數(shù)據(jù)均已達標。但我認為依然可以從如下角度進行改進：1.分別就低功耗和高速兩個角度進行設(shè)計，由于此次設(shè)計過程中對于各項參數(shù)都留了很寬裕的空間 （特別是相位裕度，在初期設(shè)計時感覺比較難滿足），所以造成了M6 ，M7 兩管的過大，雖然如此提供了相對好的相位裕度，功耗上的損失卻很大。故從低功耗的角度可以減小M6 ，M7 的尺寸， 使其恰好工作在設(shè)計指標的范圍內(nèi)。而對于高速角度，可以增大M1 ，M2 等第一級MOS 管的尺寸同時第二級M6， M7 適當減小，這樣第一級的電流增加可以有效的提高SR。2.對于 MOS 管溝道長度的設(shè)計，在本次設(shè)計中直接將L 全部定義在了1um ，但是L的選擇從一定