电子科技大学集成电路原理实验CMOS模拟集成电路设计与仿真王向展

实验报告

课程名称：集成电路原理

实验名称： CMOS模拟集成电路设计与仿真

小组成员：

实验地点：科技实验大楼606 实验时间： 2017年6月12日

2017年6月12日

微电子与固体电子学院

一、实验名称：CMOS模拟集成电路设计与仿真

二、实验学时：4

三、实验原理

1、转换速率（SR）：也称压摆率，单位是V/μs。运放接成闭环条件下，将一个阶跃信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得运放的输出上升速率。

2、开环增益：当放大器中没有加入负反馈电路时的放大增益称为开环增益。

3、增益带宽积：放大器带宽和带宽增益的乘积，即运放增益下降为1时所对应的频率。

4、相位裕度：使得增益降为1时对应的频率点的相位与-180相位的差值。

5、输入共模范围：在差分放大电路中，二个输入端所加的是大小相等，极性相同的输入信号叫共模信号，此信号的范围叫共模输入信号范围。

6、输出电压摆幅：一般指输出电压最大值和最小值的差。

图 1两级共源CMOS运放电路图

实验所用原理图如图1所示。图中有多个电流镜结构，M1、M2构成源耦合对，做差分输入；M3、M4构成电流镜做M1、M2的有源负载；M5、M8构成电流镜提供恒流源；M8、M9为偏置电路提供偏置。M6、M7为二级放大电路，Cc为引入的米勒补偿电容。

其中主要技术指标与电路的电气参数及几何尺寸的关系：

转换速率：SR=I5

I I

第一级增益：I I1=−I I2

I II2+I II4=−2I I1

I5(I2+I3)

第二级增益：I I2=−I I6

I II6+I II7=−2I I6

I6(I6+I7)

单位增益带宽：GB=I I2

I I

输出级极点：I2=−I I6

I I

零点：I1=I I6

I I

正CMR：I II,III=I II−√5

I3

−|I II3|(III)+I II1,III

负CMR：I II,III=√I5

I1+I

II5,饱和

+I II1,III+I II

饱和电压：I

II,饱和=√2I II

I

功耗：I IIII=(I8+I5+I7)(I II+I II)

四、实验目的

本实验是基于微电子技术应用背景和《集成电路原理与设计》课程设置及其特点而设置，为IC设计性实验。其目的在于：

根据实验任务要求，综合运用课程所学知识自主完成相应的模拟集成电路设计，掌握基本的IC设计技巧。

学习并掌握国际流行的EDA仿真软件Cadence的使用方法，并进行电路的模拟仿真。

五、实验内容

1、根据设计指标要求，针对CMOS两级共源运放结构，分析计算各器件尺寸。

2、电路的仿真与分析，重点进行直流工作点、交流AC和瞬态Trans分析，能熟练掌握各种分析的参数设置方法与仿真结果的查看方法。

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，撰写并提交实验报告。

5、运放指标要求：

•驱动负载电容C L为；

•开环增益Av≥65dB；

•增益带宽积GB≥60MHz；

•转换速率SR≥20V/μs；

•输入共模范围到；

•输出电压摆幅大于；

•相位裕度45°≤PM≤75°。

六、实验仪器设备

（1）工作站或微机终端一台（2）EDA仿真软件 1套

七、实验步骤

1、参数计算：

由umc18工艺得对应的一些基本参数：

V thn =，V

thp

=，u

n

=341，u

p

=81，t

ox

=7e-9，L

min

=，

通过计算得出参数：

K n =，K

p

=4e-5

（1）计算最小补偿电容Cc

根据指标要求，在此预设相位裕度为60°，则由零点Z1和第二极点P2对补偿电容的要求，得：（P2>）

I I>2.2

10

?I I=

2.2

10

×1.5=0.33II

保守做法，取Cc为。

（2）由SR、Cc求出偏置电流I

5

：

I5=I I?II=0.5×10−12×20×106=10II

此为最小I

5，取I

5

=20uA。

（3）用CMR计算(W/L)

3

:

(I

I

)

3

=

2I3

I3[I II−I II,III−|I II3|III+I II1,III]2

=20×10−6

4×10−5×(3.3−2.8−0.72+0.59)2 =

（4）由GB、C

C 求出g

m1

、g

m2

I I1=II?I I=2I×60×106×0.5×10−12=188.5II

(I

I

)

1

=(

I

I

)

2

=

I I12

I1?I5

=

(188.5)2

168×20

=10.57

（5）计算(W/L)

6

I I6=2.2?I I2?I I

I I

=2.2?(188.5×10−6)?

1.5

0.5

=1244.1II

I I4=√2I II?I?I

I II=54II

(I

I

)

6

=(

I

I

)

4

I I6

I I4

=3.65×

1244.1

54

=84.1

I6=

I I6

2

2?I6?(

I

I

)

6

=

(1244.1×10−6)2

2×4×10−5×84.1

=230II

（6）计算(W/L)

7

(I

I

)

7

=(

I

I

)

5

?

I6

I5

=(

I

I

)

5

?

230

20

=11.5(

I

I

)

5

（7）剩余参数的确定

M9和M8构成偏置电路给M5提供栅压，M8和M5又构成电流镜，由于M5工作在饱

和区间，所以由经验取(W/L)

9=，(W/L)

8

=10。

（8）利用计算所得参数对电路进行仿真，根据仿真结果再进行细调参数。根据实验原理和设计指标要求，最终各个元器件的参数如表1所示；Candence下电路图如图2所示。

表 1 运放各器件版图参数