模擬CMOS集成電路設(shè)計課程設(shè)計實驗報告(二級放大器的設(shè)計)

經(jīng)典word整理文檔，僅參考，雙擊此處可刪除頁眉頁腳。本資料屬于網(wǎng)絡(luò)整理，如有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除，謝謝！--------二級運算放大器的設(shè)計信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子與科學(xué)技術(shù)系一、概述：運算放大器是一個能將兩個輸入電壓之差放大并輸出的集BJT或FET許多模擬系統(tǒng)和混合信號系統(tǒng)中的重要組成部分。它的主要參數(shù)包括：開環(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)動能力、建立時間與壓擺率、、PSRR以及功耗等。二、設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一個二級運算放大器，使其滿足下列設(shè)計指標：三、電路分析：1.電路結(jié)構(gòu)：PM3為恒流源作負載。相位補償電路由電阻R0和電容C0構(gòu)成，跨接在第二級輸入輸出之間，構(gòu)成RC米勒補償。此外從電流電壓轉(zhuǎn)換角度來看，PM0和PM1為第一級差分NM0和NM1為第一級負載，將差模電流恢復(fù)為差模電壓。NM2為第二級跨導(dǎo)級，將差分電壓信號轉(zhuǎn)換為電流，而PM3再次將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。偏置電壓由V0和V2給出。3.靜態(tài)特性對第一級放大電路：構(gòu)成差分對的PM0和PM1完全對稱，故有G=g=g(1)(2)m1mp0mp1第一級輸出電阻R=r||rout1op1on1則第一級電壓增益A=GRout1=g(r||r)(3)1m1mp0,1op1on1對第二級放大電路：電壓增益A=GR=-g(r||r)(4)(5)2m2out2mn2on2op3故總的直流開環(huán)電壓增益A=AA=-gg(r||r)(r||r)012mp0,1mn2op1on1on2op3由于所有的管子都工作在飽和區(qū)，所以對于gm我們可以用公式g=(6)2Cox(W/L)ImD進行計算；而電阻r可由下式計算o1r=o(7)ID其中λ為溝道長度調(diào)制系數(shù)且λ∝1/L。4.頻率特性第一級輸出節(jié)點到地的總電容out1C=C+C+C+C+C（8）out1GDP1DBP1GDN1DBN1GSN2第二級輸出節(jié)點到地的總電容Ctou2C=C+C+C+C(9)out2DBN2DBP3GDP3L列出KCL方程：V（10）（）GVVsCVV)0i21Rout1i20i2oout1VGVVVV)0om2i2R2o0oi22聯(lián)立（10）消去中間變量V得電路的傳遞函數(shù)為i2VGG)RR（12）o1m20out12V21其中a=[CC+C(C+C)]RRout1out20out1out2out1out2b=CR+CR+C(GRR+R+R)(13)out1out1out2out20m2out1out2out1out2由式（12）可得零點Gg（14）fZm22CC00再看式（12）分母部分，對于形如as+bs+1=0的方程，如果有2兩個實根并相距很遠，有s=-c/b,s=-b/a。由此得兩個實根分別12為1(15)(16)s1CRCRC(gRRRR)out1out12202out12out12CRCRC(gRRRR)s2out1out12202out12out12CCCCC)]RRout120out12out12于是電路的主極點s1(17)(18)fd1RCCgRout1out1022而次級點sgC2f20CCCCCC)out12out1020由于C和C遠大于CC中主要的部分為CCout20out1out1GSN2out2中則以C為主，經(jīng)過適當近似可得單位增益帶寬為Lg(19)GBWA?fmp0,12C0d0四、設(shè)計步驟：1）原理圖繪制①根據(jù)設(shè)計好的電路圖選擇并添加需要的器件；②將各個器件擺放好位置并連線；③根據(jù)設(shè)計要求將V設(shè)置成1.1VC設(shè)置成100fFDDL信號5uV，1MHz；④初始設(shè)置所有管子的寬長比為50u/200n,輸入直流偏置300mV；2）參數(shù)調(diào)節(jié)第一級：①首先要保證PM2工作在飽和區(qū)，P管的閾值電壓V在420mVTHP左右要保證V>VV-V>VV<680mV，SGPTHPDDbTHPb設(shè)置直流偏置V=450mV；由于PM2是作為恒流源，所以其Lb不能太小，設(shè)置L=600n,此時可通過仿真查看直流工作點，觀察到PM2漏極電壓超過1VPM2PM0PM1、NM0NM1的寬長比，使得PM2工作在飽和區(qū)。調(diào)節(jié)的過程中輸入直流偏置至200mVPM2工作在飽和區(qū)且流經(jīng)PM2的電流大于；②調(diào)節(jié)PM0PM1NM0NM1使得第一級增益在20dB左右：第二級：①調(diào)節(jié)電阻R和電容C3dB帶寬大于20MHz；00同時跟蹤觀察相位裕量，使其大于60度，增大電容C可以增加0相位裕量；②將PM3管L設(shè)成600n并增大其寬長比，同時減小NM2的寬長比可提高增益，調(diào)節(jié)使增益帶寬都滿足條件；PM2PM3PM0PM1NM0NM1NM2R=250Ω0C=300fF;0V0=450mV;V2=200mV;對照原理圖如下：3）仿真進行仿真仿真結(jié)果：可以看出第一級增益在17dB左右。6）直流工作點：綜上：從仿真結(jié)果來看，二級運放設(shè)計成功。五、實驗心得和小結(jié)本次實驗最大的收獲就是對cadence這個軟件的操作有了更為熟悉的了解，學(xué)會了怎樣利用這款軟件去仿真并計算其帶寬、課程設(shè)計很有意義。六、思考題1、兩級放大器中電阻R的作用？取多大比較合適？R節(jié)R可以調(diào)節(jié)帶寬和相位裕量；R量級比較合適。2、兩級放大器中米勒電容C的作用？取多大比較合適？CC可以顯著影響