cmos模拟集成电路设计实验报告

北京邮电大学实验报告实验题目：cmos模拟集成电路实验姓名：何明枢班级：2013211207班内序号：19学号：2013211007指导老师：韩可日期：2016 年 1 月16 日星期六目录实验一:共源级放大器性能分析 (1)一、实验目的 (1)二、实验内容 (1)三、实验结果 (1)四、实验结果分析 (3)实验二:差分放大器设计 (4)一、实验目的 (4)二、实验要求 (4)三、实验原理 (4)四、实验结果 (5)五、思考题 (6)实验三：电流源负载差分放大器设计 (7)一、实验目的 (7)二、实验内容 (7)三、差分放大器的设计方法 (7)四、实验原理 (7)五、实验结果 (9)六、实验分析 (10)实验五：共源共栅电流镜设计 (11)一、实验目的 (11)二、实验题目及要求 (11)三、实验内容 (11)四、实验原理 (11)五、实验结果 (14)六、电路工作状态分析 (15)实验六：两级运算放大器设计 (17)一、实验目的 (17)二、实验要求 (17)三、实验内容 (17)四、实验原理 (21)五、实验结果 (23)六、思考题 (24)七、实验结果分析 (24)实验总结与体会 (26)一、实验中遇到的的问题 (26)二、实验体会 (26)三、对课程的一些建议 (27)实验一:共源级放大器性能分析一、实验目的1、掌握synopsys软件启动和电路原理图（schematic）设计输入方法；2、掌握使用synopsys电路仿真软件custom designer对原理图进行电路特性仿真；3、输入共源级放大器电路并对其进行DC、AC分析，绘制曲线；4、深入理解共源级放大器的工作原理以及mos管参数的改变对放大器性能的影响二、实验内容1、启动synopsys，建立库及Cellview文件。

2、输入共源级放大器电路图。

3、设置仿真环境。

4、仿真并查看仿真结果，绘制曲线。

三、实验结果1、实验电路图2、幅频特性曲线电阻为1k时电阻为10k时四、实验结果分析1、器件参数：NMOS管的宽长比为10，栅源之间所接电容1pF，电阻Rd=10K。

NMOS管的宽长比为10，栅源之间所接电容1pF，电阻Rd=10K。

2、实验结果：输入交流电源电压为1.2V，所得增益为12dB。

由仿真结果有：gm=496u，R=10k，所以增益Av=496*10/1000=4、96=13、91 dB可见，实际增益大于理论增益。

实验二:差分放大器设计一、实验目的1、掌握差分放大器的设计方法；2、掌握差分放大器的调试与性能指标的测试方法。

二、实验要求1、确定放大电路；2、确定静态工作点Q；3、确定电路其他参数；4、手工计算场效应管的直流转移特性曲线，并将特性曲线描绘在方格纸上，在曲线上确定出MOS管的饱和区，确定输入电压、输出电压的范围；5、电压放大倍数大于20dB，尽量增大GBW，设计差分放大器；6、对所设计电路调试；7、对电路性能指标进行测试仿真，并对测量结果进行验算和误差分析。

三、实验原理平衡态下的小信号差动电压增益AV为：β1= β2= β=μnCOX(W/L)四、实验结果1、电路图2、幅频特性曲线3、MOS管宽长比和电阻大小变化对应的放大倍数改变W/L和栅极电阻，可以看到，R一定时，随着W/L增加，增益增加，W/L一定时，随着R的增加，增益也增加。

但从仿真特性曲线我们可以知道，这会限制带宽，所以在增大沟道宽长比的时候，要注意带宽是否满足条件。

随着W/L增大时，带宽会下降。

为保证带宽，选取W/L=60，R=30k的情况下的数值，最终实现了带宽约为200MHz-300MHZ，可以符合系统的功能特性。

五、思考题根据计算公式，为什么不能直接增大R实现放大倍数的增大？答：若直接增加Rd，则Vd会增加，增加过程中会限制最大电压摆幅；如果VDD—Vd=Vin—VTH，那MOS管处于线性区的边缘，此时仅允许非常小的输出电压摆幅。

即电路不工作。

此外，RD增大还会导致输出结点的时间常数更大。

实验三：电流源负载差分放大器设计一、实验目的1.掌握电流源负载差分放大器的设计方法；2.掌握差分放大器的调试与性能指标的测试方法。

二、实验内容1.设计差分放大器，电压放大倍数大于30dB；2.对所涉及的电路进行设计、调试；3.对电路性能指标进行测试仿真，并对测量结果进行验算和误差分析。

三、差分放大器的设计方法1、确定放大电路（选择场效应管）2、手工计算场效应管的直流转移特性曲线，并将特性曲线描绘在方格纸上，在曲线上确定出MOS管的饱和区，确定输入电压、输出电压的范围。

3、确定静态工作点Q。

4、确定电路中的其他参数。

5、调整静态工作点：可以修改场效应管的W。

四、实验原理电流镜负载的差分对传统运算放大器的输入级一般都采用电流镜负载的差分对。

如上图所示。

NMOS器件M1和M2作为差分对管，P沟道器件M4，M5组成电流源负载。

电流0I提供差分放大器的工作电流。

如果M4和M5相匹配，那么M1电流的大小就决定了M4电流的大小。

这个电流将镜像到M5。

如果VGS1=VGS2，则Ml和M2的电流相同。

这样由M5通过M2的电流将等于是IOUT为零时M2所需要的电流。

如果VGS1>VGS2，由于I0=ID1+ID2，ID1相对ID2要增加。

ID1的增加意味着ID4和ID5也增大。

但是，当VGS1变的比VGS2大时，ID2应小。

因此要使电路平衡，IOUT必须为正。

输出电流IOUT等于差分对管的差值，其最大值为I0。

这样就使差分放大器的差分输出信号转换成单端输出信号。

反之如果VGS1<VGS2，将变成负。

假设M1和M2差分对总工作在饱和状态，则可推导出其大信号特性。

描述大信号性能的相应关系如下：式(7-1)中，VID表示差分输入电压。

上面假设了M1和M2相匹配。

将式(7-1)代入(7-2)中得到一个二次方程，可得出解。

上图是归一化的M1的漏电流与归一化差分输入电压的关系曲线，也即是CMOS差分放大器的大信号转移特性曲线。

该放大器的小信号特性参数等效跨导从图2可以看出，在平衡条件下，M2和M5的输出电阻分别为：于是该放大器的电压增益为：五、实验结果1、电路图2、幅频特性曲线3、不同电路元件对电路放大参数的影响根据表中数据可以分析出，随着沟道长宽比的增加，电路的放大倍数会随之增加，但是根据实验中出现的问题看，其有效带宽会随着沟道长宽比的增加而减小，所以要和里控制长宽比，并且选择合适的电阻方可满足设计的要求。

六、实验分析本次实验是在实验二的基础上进行修改调试的，电压理论增益为33.3dB ，电压的理论增益公式为电源电压的设计需要合适的范围，既不能太小，也不能太大。

过小会使得场效应管不能进入到饱和区，过大会使得此放大器的输出摆幅过小，我们的电路设计中选择电源电压为5V ，可以满足实验要求。

)r ||(r g A o 3o 2m 0,2v实验五：共源共栅电流镜设计一、实验目的熟悉软件使用，了解Cadence软件的设计过程。

掌握电流镜的相关知识和技术，设计集成电路实现所给要求。

二、实验题目及要求1、实验设计题目低输出电压高输出电阻的电流镜设计。

包括基本共源共栅电流镜设计和低压共源共栅电流镜设计。

2、实验设计要求：1、电流比1:1；2、输出电压最小值0.5V；3、输出电流变化范围5~100UA三、实验内容共源共栅电流镜基本参数确定四、实验原理其中：每个MOSFET 的衬底都接地，（W/L ）1=（W/L ）2；（W 、L ）3=(W/L)4 通过大信号直流工作点分析和小信号等效电路分析，可以知道该电路的特点 如下：（1）小信号输入电阻低（~1/gm1）（2）输入端工作电压低 （3）小信号输出电阻高 （4）输出端最小工作电压低1、设计变量初始估算（1） 确定(W/L)1、（W/L ）2为了计算设计变量，我们有必要了解电路MOSFET 的工作状态，为了使输出端最小工作电压小于0.5V, 令：MN3管工作于临界饱和区（即：33OUTMIN G T V V V =-=0.5V ），而MN1、MN2管随着输入电流inI 从5UA 变到100UA 的过程中先工作在过饱和区最终工作在临界饱和区，同时令：当MN1、MN2工作在临界饱和区时120.252OUTMINDS DS V V V V ===。

为了使MN1、MN2工作在饱和区，则必须：(以MN2为例计算)222DS GS T V V V ≥-22OUTMINDS VV ⇔≤=62622222210010(/)26123.010/0.25()2INMAX OUTMIN N I A W L V A V V KP --⨯⨯⇔≥=⨯⨯,为了后面HSPICE 仿真时能够深刻地体会到调整W/L 的必要性,这里取：(W/L)1=(W/L)2=27。

（2） 确定(W/L)3、（W/L ）4 从MN3管3GS V 的角度来考虑问题，当inI ＝100UA 时，为了使MN2管工作在临界饱和区，3GS V 的电压降不可以过大，即：332OUTMINGS G V V V ≤-又MN3管工作于临界饱和区，则： 3332OUTMINGS D T V V V V ⇔≤+-332OUTMINT OUTMIN T VV V V ⇔+≤+-2OUTMINV⇔≤63622222210010(/)26123.010/0.25()2INMAX OUTMIN N I A W L V A V V KP --⨯⨯⇔≥=⨯⨯为了后面HSPICE 仿真时能够深刻地体会到调整W/L 的必要性,这里就取：(W/L)3=(W/L)4=27。

（3）确定(W/L)B为了节省面积，和设计的方便，取(W/L)B=1 （4）确定IB 在确定IB 前要先计算3T V ,根据衬偏效应可以得到:1/2300.64310.630.72T TN V V V V Vγ=+=+ 因为MN3工作在临界饱和区，所以：333G D T V V V =+又MNB 管工作于MOS 二极管状态：3G DSB GSB TB V V V V ===+231()(/)2G TB B BIB V V KP W L ⇒=- 2331()(/)2D T TB B BIB V V V KP W L ⇒=+- 2301()(/)2OUTMIN T TN N BIB V V V KP W L ⇒=+-2620.5(0.50.720.6431)123.010/120IB V V V A V UA -⇒=⨯+-⨯⨯⨯ （5）确定沟道长度L对沟道长度的约束有：1．outr233332311()(1)outds ds m mb m OUT OUT r r r g g g I I ηλλ+=+=一定的OUTI 下，要使outr 较大，则λ要取较小的值，即L 要取较大的值。