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1、模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告二級(jí)運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子與科學(xué)技術(shù)系一、概述: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)中最常見(jiàn)的電路,在某種程 度上,可以把它看成一個(gè)類似于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。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。二、設(shè)計(jì)任務(wù):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):工藝Smic40nm電源電壓1.1v負(fù)載100
2、fF電容增益20dB至少40dB3dB帶寬20MHz輸入小信號(hào)幅度5uV 共模電平自己選取輸出共模電平自己選取電路結(jié)構(gòu)兩級(jí)放大器相位裕度6070 度功耗無(wú)要求三、電路分析:電路結(jié)構(gòu):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、偏置電路和相位補(bǔ)償電路。vbI -Ph-E . .X7plllbzktm.1 E-5-Hup11l_cki I Pt.13- 5時(shí)111卜迎WlOBuvdL:= 1-1pHILahi , Ft-W-I +Traq-1Mvin,rrE司i盲plllLcJ!w=1S(uVrTTHPF ri=T5fln,l-Wnmil腕鬲1 -Nh-E
3、T nl1l5 0115” ,.=75u-HldSJIn fJngeroi! m:1n11H_cWhU1 - rrn11ILcki,1 .=75un11l_cWMHW . . 十1111_拙 w=7EuiflrqEra=3電路描述: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。第二級(jí)放大電路由NM2和PM3構(gòu)成。NM2為共源放大器;PM3為恒流源作負(fù)載。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
4、RC米勒補(bǔ)償。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再次將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電 壓信號(hào)輸出。偏置電壓由V0和V2給出。靜態(tài)特性對(duì)第一級(jí)放大電路:構(gòu)成差分對(duì)的PM0和PM1完全對(duì)稱,故有GmLgmp0-gmp1 第一級(jí)輸出電阻Rout1=rop1llron1 則第一級(jí)電壓增益A =G Rout1=g (r llr )m1Omp0,1 op1 on1z對(duì)第二級(jí)放大電路: 電壓增益A尸G R = -g 9(r |r )m2 out2 O
5、mn2 on2 op3 / 故總的直流開(kāi)環(huán)電壓增益AC10 g C1g c(r 11八1 湛 o)(1)(2)(3)(5)01 2 Omp0,1Omn2 op1 on, on2 op3/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gm=、2p Cox(W / L) ID進(jìn)行計(jì)算;而電阻ro可由下式計(jì)算ro=_D其中入為溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)且入81/L。頻率特性第一級(jí)輸出節(jié)點(diǎn)到地的總電容cout1Cout1 =CGDP1+CDBP1+CGDN1 +CDBN1+CGSN2第二級(jí)輸出節(jié)點(diǎn)到地的總電容Cout2Cout2=CDBN2+CDBP3+CGDP3+CL列出KCL方程:G V +- +
6、 sC V + sC (V -V ) = 0 m1 id Rout1 i 20 i 2oout1VG V + + sC V + sC (V - V ) = 0 m 2 i 2 Rout2 o 0 o i 2out 2聯(lián)立(10)、(11)消去中間變量Vi2得電路的傳遞函數(shù)為V G (G - sC )R R o m1m20out1out 2Vas 2 + bs +1其中 a=Cout1Cout2+C0(Cout1+Cout2)Rout1Rout2b=C R+C R +C (G R R+R+R Jout1 out1 out2 out2 0、 m2 out1 out2 out1out27(6)(7)
7、(8)(9)(10)(11)(12)(13)由式(12 )可得零點(diǎn) TOC o 1-5 h z f =馬=J(14)z 2丸C2丸C00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(15)(16)(17)(18)1 s = TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark72 o Current Document CR+ CR+ C(gRR+ R+ R)out1 out1 out 2 out 20 mn 2 out1 out 2 out1out 2_ CR+ CR+ C(
8、gRR+ R+ R)S out1out1out 2out 2mm 2 out1out 2out1out 2C C + C (C+ C)RRout1 out20out1out2out1 out2于是電路的主極點(diǎn)fd - 2r 2kR_c_+ C (1 + g_R) out1out10mn 2 out 2而次級(jí)點(diǎn)f - mmn 20nd 2兀2兀(CC + C C + C C )out1 out 2out 1 0out 2 0由于C頃2和C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GBW = A f = mpnL(19)0
9、d2兀 C0四、設(shè)計(jì)步驟:1)原理圖繪制根據(jù)設(shè)計(jì)好的電路圖選擇并添加需要的器件;將各個(gè)器件擺放好位置并連線;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;初始設(shè)置所有管子的寬長(zhǎng)比為50u/200n,輸入直流偏置300mV;2)參數(shù)調(diào)節(jié)第一級(jí):首先要保證PM2工作在飽和區(qū),P管的閾值電壓VTHP在420mV 左右要保證VsgpVthp,要求VDD-VbVTHp,于是需要Vbve Oplions1Vout里SSI2vimillOulpuls畦叫他 in .Lai?2015Q401/PB1210Q5-PI al after simulation:尸血To
10、tting mode Replace Q進(jìn)行仿真仿真結(jié)果:1)增益和帶寬:Vi$4D J Afoulu.rze7t.Hi J4;.1312V處 in加 u1o-20,0 j30.0 1I i iai |nii 11111iii i 11|11iiii iii|1iiii n i ii|11i i ii|1ii i 111ni_i i an |借 l 誠(chéng) 泌 甘 L(f |寸 職 L中MuiM 335EMHS. J92693V從圖上可以得出最大增益40dB, 3dB帶寬20MHz,符合要求;cadenceEile IodIi:變蜘 Qpawis廠口川垮他日+申c a d e in e0 E In
11、 CttrlwKi Rviulli OB: I代|仇袖1就01 用01古1000由59&口0/*網(wǎng)1向|#3匚血5胡腳%1聊明rrnMHxPlrt IjMameslalom areaH區(qū)耶My .rd 2 rellB?pp Mt rplE i pHMjgin7Z Tie t uosd () Vi.trua.lixa.1. iun , 偵;IL cslIcu-IlLui日r; e戲irt=.白牌硒鋼m rnban的 1的申1 鉤(vMiuir 浙日suitSQl/chFili Edfi Grph AwBr*w-SHtEe-sutl血證函H網(wǎng)1 BWctf 皿smaMcKLi tranLn mnD
12、p uj model .instance Li oul pm Lil dsilgnPariBfiViJi甘師LllE時(shí)中LUE。躋L隹尊部史叩LEE棗詞山9血netsn5nevout FPM# .; 蛔 | no ew* Uff _. Fair y .訴凱E 健 C Ip h 電.戶pppEphawMsrglrl (vc-ur w羽St - jA U KPOIiMicIrfLciiernaCcA 血 dcQp相l(xiāng)_J如CWMHprlariji -;tiEDqpnKJun EiliujrJMi唧齡心2)相位裕量:計(jì)算結(jié)果為-117.5+180=62.5度,符合設(shè)計(jì)要求;4)直流和交流仿真圖:RE
13、150JO200jO150jO!陽(yáng)WCVFf .也由rni 24.5B7MHZ 39.2435dB.# dBEDtVFr /vInTi 己巳花E kF# A U TIB 日AC Feujiss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。5)第一級(jí)增益:II-J o o o g g-25.郁-75.CS3P)1|巖由。日如&F網(wǎng)n)1.B7734MHZW 3263JBr 20Jj- 15C-1CO.O-125.0F-iaoF-15lOSOlO可以看出第一級(jí)增益在17dB左右。6)直流工作點(diǎn):i=534.3J4ppH I Lc I1.llpd-1Sg5nH jg5 = #由=-觀坎5e y
14、uth-+10.7&Sih jdsJt=-2419B21m451T|7 4-1.795mpllH_clrt1J? nd-728. Mu1出vb 45 0ni I /= - 650mLI7BE-4EE-1.97E-5lm兇3=-是1立點(diǎn)14e 討 h4兇舛仁一斜序捋KepTIILikti i JplllLektid二心 軀5l宣4 U照E.3.plllLckt74-1.7ei2OT11-| 雄2 u41-/Jim,、dsat 111jfi11mpTIILktId-b25.025ij77 1-705ffi pB0mK i = R3.6789p2.435m4aa.a?7m NM3 T n 111Lc
15、h4 62僦編j早時(shí)Le| vg s =54L36m J 0ds=54 I 3Ee八ms%侶Sm vd:gi=74.-3075mn1 1H_eH54i.36mB_ 70-2525 J.vgw=541.3 日 rjids=541 30mvth-552.1-33fnn11HLch-t I NM2 - 網(wǎng)&順ECI秒嶷5如_ ,ig=5+1.36m l-.d=7B-5 +SEe,BTMih-547302m I卜由航=茂.映41可見(jiàn)各個(gè)管子都正常工作。綜上:從仿真結(jié)果來(lái)看,二級(jí)運(yùn)放設(shè)計(jì)成功。五、實(shí)驗(yàn)心得和小結(jié)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。六、思考題1、兩級(jí)放大器中電阻R的作用?取多大比較合適?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
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