COMS放大器设计

目录
一、设计思路 (1)
二、CMOS放大器设计 (2)
2.1、任务与要求 (2)
2.2、设计要求 (2)
2.3、对CMOS放大器的研究与计算 (2)
三、电路设计及仿真 (6)
3.1、直流工作点的分析 (7)
3.2、交流信号分析 (8)
3.3、瞬态分析 (10)
3.4、小信号特性分析 (12)
3.5、压摆率大信号分析 (13)
四、课程设计心得 (14)
五、参考文献 (15)
一、设计思路
日常生活中放大器的用途随处可见，但关于用MOS管的放大器还很少，综合所学习过的知识去设计一个CMOS放大器，本设计采用GPDK180工艺，实现增益大于40dB（即放大100倍以上），相位裕度大于60º，功耗小于1mW，同时用1.8V 的电压源供电。

设计MOS管所采用的是PMOS和NMOS的组合管构成放大器，因为同样的体积、同样的掺杂浓度下，PMOS管的电阻会比NMOS管的电阻要大，所以在这两种MOS 管组成的电路中，采用NMOS作为放大管，而PMOS作为偏置负载，两种组合管串联起来，从组合管的中间引出放大的信号，由于放大倍数还不够大，本设计采用NMOS管作为放大管，这只是理想中器件的选择，接下来就是参数的计算以及对电路设计的模拟和仿真。

由于采用GPDK180工艺、电源电压1.8V的基础上设计，所以就要在资料库中查找并选好MOS管的参数，对于MOS管最重要的是W/L的比值，根据放大倍数以及对功耗的要求可求出W/L比，根据电源电压可求出驱动电路的电压值。

得到的宽长比可与资料里面的标准对比，取一定的长度就可以得出器件的宽度，根据所选定的器件去查找相应的MOS管栅极的氧化层参数，应注意的是在GPDK180工艺中，宽度最大不超过50nm，长度最大要180nm以上。

为了得到合适的放大倍数以及较低的功耗，PMOS管和NMOS管连接起来，PMOS管的上端接电源Vdd下端接NMOS管，下端的NMOS管接地，在两个MOS管的中间取出放大信号，给上端的PMOS管的栅极加一个适合的偏置，在NMOS管的栅极输入，根据以上思路制作本次设计
二、CMOS 放大器设计
2.1、任务与要求：
设计CMOS 放大器，要求如下： 1．采用GPDK180工艺。

2．增益大于40dB, 相位裕度大于60º。

3．功耗小于10mW 。

4．电源电压为1.8V 。

2.2、设计要求：
1）、根据设计指标要求，选取、确定适合的电路结构，并进行计算分析； 2）、电路的仿真与分析，重点进行直流工作点、交流AC 分析、瞬态Trans 分析、建立时间小信号特性和压摆率大信号分析，能熟练掌握各种分析的参数设置方法；
3）、电路性能的优化与器件参数调试，要求达到预定的技术指标。

4)、整理仿真数据与曲线图表，撰写设计报告。

5）、按照课程设计要求，采用GPDK180工艺设计，COMS 放大器的模型如下：
图1 CMOS 放大电路模型
2.3、对CMOS 放大器的研究与计算
设计要求：采用GPDK180工艺；放大增益大于40dB ，即100
倍以上；相位
in
V B
V out
V gnd
mW P 10max =裕度大于 ，功耗小于10mW;电源电压为1.8V 。

1）、 由公式 ，可得 可取 2）、采用GPDK 工艺，用一个PMOS 管与一个NMOS 管接连做放大器
①设定NMOS 、PMOS 的制作长度
，可知 于是有
放大电路的交流小信号模型如下：
图2 放大器的小信号模型 ② :令Vin=0，即
3）、
4）、
V ︒60
V V DD 8.1=DD D V P I max
max =A V
W
I D 32max 106.58.110--⨯==max
3
105D D I A I ≤⨯=-um L L N P 4.0==1
104.0,02.0--==V V P N λλΩ=⨯⨯==
-K I r D N dsN 1010502.01
13
λΩ=⨯⨯==-K I r D P dsP
67.610
504.0113λout R 0,0DS ==得GS V Ω
====K r r g V g dsP dsN mb DS m gs 4R 0,0V 所以out 11于是的计算m1
g 09
.01052)03.0(22g 32
2
mN =⨯⨯===-D
mN D
I g I ββS 3.00K 4120
R A g )120(v mN N =Ω
==
-=out out m v R G A 设放大倍数为可知由
5）、根据 ,在软件库中查到相应的NMOS 和PMOS 的计算参数： NMOS ：L=0.36—0.5um ， w=1.2—3um 氧化层厚度：
PMOS ：L=0.36—0.5um ， w=1.2—3um 氧化层厚度：
6）、
7）、
8）、电路放大时，必须保证NMOS 和PMOS 同时工作在饱和区， 9）、设输出电压的最大摆幅为2V ，NMOS 工作在饱和区，则应满足的条件： NMOS 管处在饱和区的同时PMOS 也工作在饱和区，则
m
4.0L L P N μ==m 9
ox 109.7t -⨯=)
/(106.8,54.0V 230T0S V m V ⋅⨯=-=-μm
9
ox 1062.7t -⨯=)/(104,5.0V 2
2
0T0S V m V ⋅⨯==-μ2
49
1121112)()
(/1075.1109.71045.3104/1045.31085.89.3)
2(2
2
V
A t k m F ox
N N Sio r Sio Sio ------︒⨯=⨯⨯⨯⨯=
⨯=⨯⨯==ε
μεεε所以m
2054.051451410
5.719
.00k L W k 4
N N N ,
μββ=⨯=∴≈⨯===-N
W L
W
，）（得由max
I I D ≤83
.05.009
.0105222
/)(I 3
020D =+⨯⨯=+=-=-T N D GSN
T GS V I V V V ββV 75.20.53V V 2V 22.0Vo V
3.30V Vo 22.061.083.0V
V
0max DSmin min 0min
0GSN =++====-=-=<-<所以于是所以V
V V V V V V T GSN DS DS T V 7.01V 4.50V 3.50V V V V V V V 3.50V ,0V V 3.50|3.32.8V 1||V V ||V |V |V ||,|V V 0T0DSp GSp T0
GSp DSp DSp DSP omax DD min DSp o DSp p o 0GSp =--=+=-=-=<=-=-=-=<-<所以，此时所以因为所以最大最小时，当因为DS DD DS
T V V V V
10）、
11）、
2
5113)
(,2
2
3202
0GS D /1089.31045.3106.81056.3)54.007.1(1052)(22
V I 2
V A t k V V A V V I V ox
Sio p p
T GSp D t -----⨯=⨯⨯⨯==
⨯=+-⨯⨯=-=
-=εμββ得
）（由m
368.40920W 92010
89.31056.3)(P 52,,
μββ=⨯=≈⨯⨯===--于是得
得
由P P P k L W
L
W
k
三、电路设计及仿真
电路的各个参数计算出来，本设计采用VMware Workstation虚拟机进行仿真，VMware Workstation是一个运行在Linux系统下版级和系统级的EDA软件，打开虚拟机后，进入虚拟机的启动电源界面，然后启动虚拟机的电源，点击进入
启动本次设计的软件，双击在界面的上方的“新建终端”动作图标，在终端输入cd work/gpdk180回车后，输入icbf指令就到了icfb文件下，在界面对话框中选择file/new/library，弹出对话框new liabrary，在名字框中填入文件夹名zhang，选择attach to an existing techfile,在弹出的对话框中选择gpdk180后，点OK回到icfb。

再选择file/new/cellview，在library name选择的基础上新建一个fangda的library 名，点击OK即可。

根据以上的操作和计算，在gpdk180下设计出电路图，并进行参数的设置，选择PMOS管的w=50u，l=200n；选择NMOS的w=37u,l=400n.设置后设计的初步图设为：
图 3 CMOS放大设计图
3.1、直流工作点的分析
画好电路图后要看设计的是否正确，经过多次修改后得出最好的参数设置，并在此基础上进行了相应的仿真，接下来是对所设计的电路做直流（DC）分析。

因此输入信号采用直流电压源信号输入，其电压为参数的电压—2.75V。

具体电路如下：
图4 直流分析电路
绘制好电路图之后修改各器件的参数知道接恰当为止，修改好参数后点击check and save，保存好后选择tools/ analog environment，进入Virtuoso Analog Design Environment模拟环境,在弹出的对话框中选择choose，再在弹出的对话框中选择DC分析，并在Save DC operating Point选项上选中，点击OK回到analog environment;选择运行Simulation/Netlist and Run,然后选择Result/Print/DC Operating Points进行结果的查看，在弹出界面之前点击最右边电源V0，就得到本次设计电路运行结果的参数。

进过多次调整两个MOS管
的W/L后得到符合本设计要求所规定的参数值，电流为3.43494mA还不算小，功率为6.1829mW<10mW,所得的结果如下，由结果可看出，设计电路模拟出来的电流和功率基本符合本次设计要求，图中数据的符号代表方向。

图5 直流分析结果
3.2、交流信号分析
在进行交流分析之前要先将NMOS输入的信号源换成交流源，其DC分析电压为原来的直流分析是的电压，频率设为1KHz，具体电路如下：
图6 交流分析电路图
换好交流信号电压源后点击check and save ，保存好后选择tools/ analog environment ，进入Virtuoso Analog Design Environment 模拟环境,在弹出的对话框中选择choose ， 再在弹出的对话框中Analysis 选择AC 分析，在Sweep Variabl/Frequence ，在Sweep Ranged 的Start_Stop 的start 里输入1，在Stop 里输入100G ；再在Sweep type 里选择Logarihmic ，并在Points Per Decade 。

点击OK 回到analog environment;选择运行Simulation/Netlist and Run,然后选择Result/Direct polt/Main Form ，在弹出的对话框中选择Voltage ，在Modifer 下选择20dB ，再在原理图中点击输出线，进行结果的查看，对交流信号的仿真结果如下：
图7 交流放大增益仿真
由结果可看出放大增益约44dB ，放大倍数符合本次设计的要求跃升频率约为。

同理在Virtuoso Analog Design Environment 模拟环境中的Modifer 选择Phase 的得到放大倍数和相位仿真，结果如下，从图中可看出相位裕度绝对大于60.放大倍数大于40dB ，这是调整并优化的实验结果，均达到设计要求
Hz Hz 117
10~105
图8 增益与相位仿真
3.3、瞬态分析
进行Trans分析，将输入接交流源，设定参数DC值为原来直流模拟时值，调试幅度为10mV，频率为1KHz，设计电路图如下
图9瞬态分析电路图
设置好信号电压源后点击check and save，保存好后选择tools/ analog environment，进入Virtuoso Analog Design Environment模拟环境,在弹出的对话框中选择Output/To Be Poltted/select from Schmatic,进入Sahmatic Edit 窗口，点击“in”和“out”线，选择电压输出。

点击OK回到analog environment;选择运行Simulation/Netlist and Run,然后选择Result/Direct polt/Main Form，在弹出的对话框中选择Voltage，然后在电路图上选择“in”和“out”线，再在原理图中点击输出线，进行结果的查看，对交流信号的仿真结果如下：
图10 Trans分析结果
由图可知，输入的是余弦波，输出是与之反相的正弦波，波形没有失真，方向为输入的反向，因为定义了50ps延时，所以输入输出在时间上不精确对准，中的说来放大倍数是达到要求的。

建立时间小信号特性分析接入信号源信号源的电压为 2.75V，上升和下降时间为1ps，脉冲宽度为500ps，时段为1ns，换好交流信号电压源后点击check and save，保存好后选择tools/ analog environment，进入Virtuoso Analog Design Environment模拟环境,在弹出的对话框中选择choose，再在弹出的对话框中Analysis选择Trans分析，在Stop time选项里输入30p，点击OK确定回到analog environment;选择运行Simulation/Netlist and Run,然后选择Result/Direct polt/Main Form，在弹出的对话框中选择Voltage，，再在原理图中点击输出线（out），进行结果的查看，对交流信号的仿真结果如下：
图11 Trans的小信号建立
从图可看出小信号建立的时间约为12ps
压摆率是指单位时间（一般用微秒）器件输出电压值的可改变的范围压摆率，意思就是运算放大器输出电压的转换速率绘制好电路图之后修改各器件的参数知道接恰当为止，修改好输入信号的参数后点击check and save，保存好后选择tools/ analog environment，进入Virtuoso Analog Design Environment模拟环境,在弹出的对话框中选择choose，再在弹出的对话框中选择DC分析，在Sweep Variabl/Componemt Parameter，点击Select Component 之后或自动切换到原理图上，选择V1，在弹出的对话框选择DC，坏到前面的选择分析窗口，在Sweep Ranged的Start_Stop的start里输入1，在Stop里输入4；再在Sweep type里选择Linear，在Step Size里填上0.01。

点击OK回到analog environment;选择运行Simulation/Netlist and Run,然后选择Result/Direct polt/Main Form，在弹出的对话框中选择Voltage，再在原理图中点击输出线，进行结果的查看，即可得到仿真的结果：
图12 压摆率大信号分析
从图中可看出，由于电压为1.8V，其从高电平越变为低电平的值为0.5V左右。

四、课程设计心得
集成电路课程设计终于完成了，一开始什么什么都不知道做，因为我们没有学到真正能用于实际的，一开接到课题，都不知道如何下手，只知道跟做老师讲的去做，外加以前学的一点点，自己慢慢去做，但具体就不知道这么做了，到后来参考了他们的设计，我才有了了具体的做法，本次设计就是要找好MOS管的W/L比及其他参数，在cadence软件里去查找了所要用的器件的参数，然后计算出来，但是实际做的时候往往要改很多不当的数据，只有仿真出来的结果才会证明计算是不是对的，很多不懂得只有自己琢磨着去做，同自己慢慢的摸索，最后还是一步一步的的把结果做出来了。

对于我们电子专业还是什么工科专业，不管是硬件设计还是软件设计，都要分模块设计，设计思路都是自顶向下，自底向上。

知识的连贯性体现于应用。

我觉得学习在于发现问题，解决问题，解决问题的关键在于自己，而不是一味的依靠别人。

如今网络资源如此丰富，为我们提供了一个很好的学习平台，感觉知识的海洋是如此的浩瀚，而我们却是如此的渺小，希望在自己有限的时间里学习更多的东西。

课程设计主要是我们理论知识的延伸，它的目的主要是要在设计中发现问题，并且自己要能找到解决问题的方案，形成一种独立的意识。

当然在做课程设计的过程中总会出现各种问题，在这种情况下我们都会努力寻求最佳路径解决问题，无形间提高了我们的动手，动脑能力，并且同学之间还能相互探讨问题，研究解决方案，增进大家的团队意识。

本次课程设计有机地结合了理论与实践，既考察了我们对理论知识的掌握情况，还反映出我们实际动手能力，更主要的是它激起我们创新思维，为今后的进一步学习创下良好条件，为以后的就业也打下一个根基，真可谓一举多得。

刚开始，不知道从哪里入手，经历了一次次的困难，却积累了很多宝贵的经验。

这次设计我也深深体会到自己对知识的不足，很多时间都是和同学一起讨论，融合大家的汗水，终于基本达到了设计要求，完成了任务。

总的来说，这次课程设计让我们收获颇多，不仅让我们更深一步理解书本的知识，提高我们分析问题和解决问题的能力，而且让我们体会到知识的重要性。

五、参考文献
《CMOS模拟集成电路设计》Phillip E Allen著电子工业出版社《数字集成电路—电路、系统与设计》周润德译电子工业出版社《数字集成电路——设计透视》清华大学出版社
《集成电路版图设计》Christopher. Saint等著，清华大学出版社《半导体集成电路》第二版朱正勇、张海洋、朱元红的编著清华大学出版社。