用集成电路设计数字模拟电路芯片

设计目的：

1.掌握CMOS反相器和两级CMOS运算放大器的电路图基本原理。

2.熟练掌握并运用tanner作图软件。

3. 基本能根据仿真图对电路进行基本分析

一．CMOS反相器

1.工作原理

1）.基本电路结构

2）.开启电压|UTP|=UTN，且小于VDD。当uI= UIL=0V时，VTN截止，VTP导通，

uO = UOH≈VDD当uI =UIH = VDD ，VTN导

通，VTP截止，uO =UOL≈0V

3.）工作特点

VTP和VTN总是一管导通而另一管截止，流过

VTP和VTN的静态电流极小（纳安数量级），因而

CMOS反相器的静态功耗极小。这是CMOS电路最

突出的优点之一。

2.用Tanner仿真

1）cmos反相器电路图

2）反相器

瞬时分析

生成t-spice文件如下：

进行仿真：

仿真状态窗口：

仿真结果报告文件：

3）反

相器

瞬时

分析

在

W-Ed

it中

观看

仿真

结果

4）反相

器直流

分析在

W-Edit

中观看

仿真结

果

3.用Tanner画CMOS反相器版图

二．两级CMOS运算放大器设计

设计原理分析：

单级有源负载差动放大器的增益一般可达几十到几百倍左右。但作为运算放大器，这个增益是不够的，因此还需要多级级联。下面我们来分析两级CMOS运算放大器。

两级CMOS运算放大器的基本电路图如下：

V 9

V 3U r

I D3

I D1

V 1

V 4U i

I D4I D2V 2

V 5

U DD

Ïàλ²¹³¥C c

A

U o

I SS

V 8

V 7

V 6

U SS

图一 电路图

下面我们根据题设指标，tanner 下进行仿真，并进行分析： 已知: K N=μn C ox=25 μA /V2， K P=μpCox=12.5 μA /V2， Cc=5 pF ，功耗Pm ≤10 mW ，U DD=9 V ， λN=0.01 Ｖ-1,λP=0.015 V-2,U TH=1V 。

要求：Aud>5000，单位增益带宽GB=3MHz ，压摆率SR=2V/us 。 1. 根据总功率Pm=10mW ，Udd=9V ，可求出允许总电流I=Pm/Udd=1100uA

2. 根据压摆率SR=2V/us,算出第一级偏置电流Iss.

SR=Io1(max)/Cc ，Io1=Id4-Id2=Id1-Id2,Id1最大值为Iss,Id2最小值为0，故Io1(max)=Iss 。Iss=SR*Cc=10uA 。 区Iss=100uA,Id1q=Id2=50uA.

£«

£U o

C c

I o1

压摆率计算

3. 根据对单位增益带宽的要求，计算差动放大器MOS 的宽长比。

由图一可知，加了密勒补偿C c 后， 由于密勒等效电容对带宽的影响远大于MOS 管极间电容的影响， 所以， MOS 管极间电容的影响可以忽略不计， 那么该电路的高频小信号等效电路如图2 所示。

g m1U

1

R o1U 1

g m5U

1

C c

R o2U o

图二 高频小信号等效电路

用密勒等效原理作单向化近似如图三所示，其中密勒等效电容C m 为 C m ≈(g m5R o2)C c 显然C m 引入的是整个电路的主极点， 也就决定了整个电路的单位增益带宽。

设C m 引入主极点， 则根据图三, 输出电压U o(j ω)为

Uo(j ω) = —g m5R o2U1(j ω)

g m1R o1

U i

R o1

U 1

g m5U

1

C m R o2~

£«£

£«

£

U o

C c

图三 单向化模型

该式忽略了输出回路时常数的影响

所以

单位增益

代入C m=(g m5R o2)C c 得

式中， g m1为差分对管跨导

题目要求: ωGB=2π·GB=2π×3 MHz 代入上式， 算出V1、 V2的宽长比为

1

11111

)

()(o m i o m R C j j U R g j U ωωω+=1

2

15111)()(o m o o m m i o u R C j R R g g j U j U A ωωω+-==1

)

(12

12121=+=

o m G B o o m m u R C R R g g A ωc

m GB

C g 1

≈ωQ

D N Q D ox n m I L W K I L W C g 11

11

1

122⎪⎭⎫ ⎝⎛=

=

μ

得到两级运算放大器设计图表如下

在Tanner 中的仿真：

首先在S-Edit 中画出电路的仿真图，按照上表中MOS 管的宽长比，电压，功耗，进行设置。

()55.3105025102109)2(102526612

2242

21=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==⎪

⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛--+-πωDIQ

N GB c I K C L W L

W