微电子课程设计 基本cs和cascode放大器
放大器实验课程设计
放大器实验课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握放大器的基本概念，理解放大器的工作原理；2. 使学生了解放大器的类型及其适用场合；3. 引导学生掌握放大器电路的分析与设计方法。
技能目标：1. 培养学生能够正确搭建和调试放大器电路；2. 提高学生运用放大器解决实际问题的能力；3. 培养学生运用所学知识进行放大器性能优化的技能。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对电子技术的兴趣，培养其探索精神和创新意识；2. 培养学生具备良好的团队合作精神和沟通能力；3. 引导学生认识到放大器在科技发展中的重要作用，增强其社会责任感。
课程性质：本课程为实践性较强的电子技术课程，结合理论教学和实验操作，旨在培养学生的实际动手能力和创新能力。
学生特点：学生处于高中年级，已具备一定的物理和数学基础，对电子技术有一定了解，但实践操作能力有待提高。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，强调实验操作技能的培养。
通过课程学习，使学生能够独立设计和搭建放大器电路，解决实际问题。
教学过程中，关注学生的情感态度和价值观的培养，提高其综合素质。
将课程目标分解为具体的学习成果，以便进行教学设计和评估。
二、教学内容本课程教学内容主要包括以下几部分：1. 放大器基本概念：介绍放大器的定义、分类及主要性能指标，结合教材第二章内容，使学生了解放大器的基本原理。
2. 放大器工作原理：分析放大器的直流偏置、交流放大作用，以及晶体管放大器的小信号放大特性，参考教材第三章。
3. 放大器电路分析与设计：讲解放大器电路的静态工作点分析、动态范围计算，以及负反馈放大器的设计方法，结合教材第四章和第五章内容。
4. 放大器电路的搭建与调试：指导学生搭建基本放大器电路，如共发射极放大器、共集电极放大器等，并进行调试，参考教材第六章。
5. 放大器应用实例：分析实际应用中的放大器电路，如音频放大器、功率放大器等，结合教材第七章内容。
6. 放大器性能优化：探讨影响放大器性能的因素，如温度、频率响应等，并提出相应的优化措施，参考教材第八章。
5.2 Cascode放大电路
5.2.1 Cascode 放大电路的特点C 1C 2+V DD R DR G1T 2T 1R G2R G3u ou iC 3Cascode ——串叠式，又名沃尔曼电路Cascade——级联特点：i D1=i D2结构：第一级共源第二级共栅@仿真5-2-1例5-2-1的仿真5.2.2中频段动态参数D1m 1gs D1gs 1m i o up R g u R u g u u A -=-== 2G G1i //R R R = Do R R =与单管共源放大电路一致！2gs 2m 1gs 1m u g u g =假设两个管子特性一致！2gs 1gs u u =单看第一级放大倍数1up -=A 第一级不提供电压放大，放大倍数由第二级共栅放大提供5.2.3 Cascode 放大电路的频率响应1、下限频率()1G2G11i L1//π21π21C R R C R f ==()()0π21π212L D 2L o L2=+=+=C R R C R R f ()33G G2L3//π21C R R f =R G1R G2u i u gs1g m1u gs1g m2u gs2u gs2R Du oC gd1C gs1C ds1C gs2 C ds2 C gd2C 1C 2C 3R G35.2 Cascode 放大电路5.2.3 Cascode 放大电路的频率响应gdD gd2D H π21π21C R C R f ==2、上限频率R G1R G2u i u gs1g m1u gs1g m2u gs2u gs2R Du oC gs2 C ds2C gd2 C gd1+C ds1 R G1R G2u i u gs1g m1u gs1g m2u gs2u gs2R Du oC ds2 C gd2第一级近似第二级近似∵第一级|A up |=1忽略电容忽略电容@仿真5-2-2Cascode 电路与单级共源放大电路比较。
微电子课程设计 基本cs和cascode放大器概要
哈尔滨理工大学软件学院课程设计报告课程微电子电路（双语）题目带有源负载的CS放大器与带有源负载的cascode放大器班级集成11-4班专业集成电路设计与集成系统学生张翠学号1114020432指导教师徐瑞2013年11月8日目录1.课程设计目的 ....................................2.课程设计题目描述和要求 .............................3.课程设计报告内容 ............................3.1、带有源负载的CS放大器 ......................3.2、带有源负载的cascode放大器 .................4.心得体会 .........................................5.参考书目 .........................................一.课程设计目的1.熟悉并掌握Orcad中的capture CIS，Hspice与cosmosScope软件的使用。
2.掌握使用capture CIS建立带有源负载的CS放大器与带有源负载的cascode放大器的电路并导出网表。
3.熟练应用Hspice仿真网表并修改分析网表，学会用comosScope查看分析波形。
4.在扎实的基础上强化实践能力，把微电子理论实践化。
二.课程设计题目描述和要求分析如图这样的带有源负载的共源极放大器与带有源负载的cascode 放大器的开环增益，3dB频宽，单位增益频率。
其中负载电容为3PF，电源电压为5V，要求CS放大器的开环增益大于30dB，cascode放大器的开环增益大于60dB。
对仿真结果进行分析，功耗小于2mW。
VddCVddC三.课程设计报告内容 1.设计过程： A 、理论分析对2种放大器分别进行分析，设定初值，查找参数值，进行推测和计算、记录各个节点的电流值，电压值，电阻值。
《模拟集成电路设计》教学大纲
《模拟集成电路设计》课程教学大纲一、课程基本信息1、课程编码：2、课程名称（中/英文）：模拟集成电路设计/ Design of Analog integrated Circuits3、学时/学分：56学时/3.5学分4、先修课程：电路基础、信号与系统、半导体物理与器件、微电子制造工艺5、开课单位：微电子学院6、开课学期（春/秋/春、秋）：秋7、课程类别：专业核心课程8、课程简介（中/英文）：本课程为微电子专业的必修课，专业核心课程，是集成电路设计方向最核心的专业课程之一。
本课程主要介绍典型模拟CMOS集成电路的工作原理、设计方法和设计流程、仿真分析方法，以及模拟CMOS集成电路的最新研发动态。
通过该课程的学习，将为学生今后从事集成电路设计奠定坚实的理论基础。
9、教材及教学参考书：教材：《模拟集成电路设计》，魏廷存，等编著教学参考书：1）《模拟CMOS集成电路设计》（第2版）.2）《CMOS模拟集成电路设计》二、课程教学目标本课程为微电子专业的必修课，专业核心课程，是集成电路设计方向最核心的专业课程之一。
通过该课程的学习，将为学生今后从事集成电路设计奠定坚实的理论基础。
本课程主要介绍典型模拟CMOS集成电路的工作原理、设计方法和设计流程、仿真分析方法，以及模拟CMOS模拟集成电路的最新研发动态。
主要内容有：1）模拟CMOS集成电路的发展历史及趋势、功能及应用领域、设计流程以及仿真分析方法；2）CMOS元器件的工作原理及其各种等效数学模型（低频、高频、噪声等）；3）针对典型模拟电路模块，包括电流镜、各种单级放大器、运算放大器、比较器、基准电压与电流产生电路、时钟信号产生电路、ADC与DAC电路等，重点介绍其工作原理、性能分析（直流/交流/瞬态/噪声/鲁棒性等特性分析）和仿真方法以及电路设计方法；4）介绍模拟CMOS集成电路设计领域的最新研究成果，包括低功耗、低噪声、低电压模拟CMOS集成电路设计技术。
带cascode补偿的两级放大器设计
带cascode 补偿的两级放大器设计原理图和小信号分析M10M11M9M8M5M4M7M6M13C LV OUTM1M2M3VDDM12CcVB4VB3VB2VB1VSSVipVin小信号等效电路：g m1V inC n1g ds1+g ds5 v n1g m12V n2CcV outC n2g ds7g m7V n1v n2C LR LR n2g m7Cn1=Cgs5+Cgd5+Cgd1, Cn2=Cgs12+Cgd7+Cgd9,RL=rds12//rds13, Rn2= (gm9*rds9*rds11)//(gm7*rds7*rds5) 列写节点方程得：+++++--=-⎧⎪-+++=-⎨⎪-+++=⎩n11577n1C n27out C m1in n1C out C L m12n2n17n2n272m7n1()(1/)(1/)ds ds ds m ds L ds ds n v g g g g C s C s v g v C s g v v C s v C s C s R g v v g v C s g R g v求得直流增益以及零极点：01212m n m L A g R g R = (1) 7121,22m m n Cg g z C C =±(2)15112ds ds m L Cg g p g R C +=-(3)1222m CL C n g C p C C C ≈-+ (4)731(//)m L C n g p C C C ≈-+ (5)2. 带宽以及相位裕度带宽的定义是，增益降低到直流值的2/2时，对应的频率。
那么，带宽约为p1：15112ds ds m L Cg g BW p g R C +==-(6)单位增益带宽的定义是增益为1时对应的频率。
可以证明，单位增益带宽等于带宽与直流增益的乘积。
因此，cm C g p A GBW 110=≈ (7) 相位裕度的定义是，用180减去增益为0dB 时，对应的总相移。
《模拟CMOS集成电路设计》9、运算放大器
2012/5/201第九章模拟运算放大器低频差模增益混合信号系统中的一个完整部分。
大量的具有单位增益带宽运放的性能参数（1）1.差模开环增益Ad：运放工作于线性区时，其输出电压与差模输入电压之比，常用分贝dB表示。
2.开环带宽BW（小信号带宽）：开环增益下降3dB（或直流增益的0.707倍）时所对应的信号频率。
也称f3dB 带宽。
3.全功率带宽BWP（大信号带宽）：运放跟随器连接时，当输入正弦大信号后，在额定负载、一定的失真条件下，运放输出电压幅度达到最大时所对应信号频率。
2012/5/2032012/5/204运放的性能参数（3）4.输出峰-峰电压V opp (输出摆幅)：指在特定负载条件下, 运放能输出的最大电压幅度, 即输出摆幅。
5.线性：运放开环有很大的非线性，全差动运放可以减小非线性，负反馈也可以减小非线性，开环增益越大，负反馈后带来的非线性就越小。
6.等效输入噪声电压：屏蔽良好、无信号输入的集成运放，在其输出端产生的任何交流无规则的干扰电压。
普通运放该值约为10～20uV运放的性能参数（7.输入失调电压V：在运放零输入时为使输出为零需在输入os端所加的直流电压。
通常以2012/5/206单级运算放大器第四章中的差分对就是单级运算放大器，图(a)、(b)分别是单端和双端输出形式，从前面学过的知识可知，两种结构的小信号增益相同，但因(a)比(b)多一个“镜像”极点，故带宽比对称输出结构要窄，由于(b)的静态工作点不能“目测”，故还需共模反馈电路才能正常工作。
这种接法也称为跟随器连接方式+V≤V≤V-|V|+V S1o n I S S i n C M D D G S3T H1A=g(r//r)V0N0Pm1(2)2012/5/208“套筒式”共源共栅(Cascode)运放+o u t X T H 2b G S 4T H 2V ≤V +V =V -V V M 2饱和要求：o u t b T H 4V ≥V -V M 4饱和要求：输出电压范围注意：因V b 的限制，共模输入电压范围也很窄2012/5/2010利用自举电路扩展共模和输出电压范围b p 虚框内电路构成自举电路：当V incM -®V P -，因M 9流过的电流恒定，故V b ＝V GS9+V R +V P -，即V b 跟随输入共模电压的升高而“自举”提高，从而扩展了共模输入电压范围，同时也扩展了该电路接成跟随器时的输出电压范围。
cascode电路密勒补偿-概述说明以及解释
cascode电路密勒补偿-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述cascode电路是一种常用的放大电路结构，广泛应用于射频和高频放大器设计中。
它通过将两个晶体管级联，形成一个高增益的放大器，具有良好的抗干扰能力和线性性能。
cascode电路的基本原理是将一个功率放大晶体管（被驱动晶体管）和一个电压放大晶体管（驱动晶体管）级联。
被驱动晶体管作为负载，增强了整个电路的增益。
驱动晶体管负责控制被驱动晶体管的电流，从而实现对整个电路的放大功能。
然而，cascode电路在实际应用中也存在一些问题，例如频率响应不稳定和阻抗匹配困难等。
为了解决这些问题，密勒补偿技术被引入到cascode电路中。
密勒补偿是指通过添加合适的电容来提高电路的频率响应和稳定性。
在cascode电路中，通过在驱动晶体管的源极和栅极之间添加一个补偿电容，可以有效提高电路的带宽和相位裕度。
这样可以使得cascode电路在高频段保持较好的性能。
总之，cascode电路作为一种常用的放大电路结构，在射频和高频放大器设计中起着重要的作用。
通过以概述介绍cascode电路的基本原理和问题，并引入密勒补偿技术，有助于读者更好地理解cascode电路的应用和优势。
在接下来的章节中，将详细介绍cascode电路的基本原理和密勒补偿方法，以及密勒补偿对cascode电路性能的影响。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以参考以下写法：文章结构部分主要是对整篇文章的章节结构进行介绍，方便读者了解全文的组织框架。
本文主要分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分首先对文章的主题进行概述，简要介绍了cascode电路的基本原理和密勒补偿方法。
接着，明确了整篇文章的目的，即探讨密勒补偿对cascode电路性能的影响。
正文部分将分为两个主要章节。
首先，会详细介绍cascode电路的基本原理，包括其特点、工作原理和优点等内容。
然后，会重点介绍cascode 电路的密勒补偿方法，详细阐述其原理、实现方式和应用场景等。
跨导放大器的分析与设计(1)-清华大学模拟集成电路分析与设计
单级OTA
z 输出共模电平 不稳定
依赖于上下 两个电流镜 之间的电流 匹配程度
需要共模反 馈环路来稳 定输出共模 电平
差模半电路
跨导放大器的负载
z 低负载阻抗RL会大幅降低放大器的增益
RL可能是片外负载或来自反馈网络的负载效应
z 反馈系统的高精度要求放大器有高的增益
反馈网络采用高阻值电阻
M2的过驱动电压增加，输出端摆幅减小
z 减小噪声：减小Cgg1，提高M1的特征频率
常用积分公式
单级Cascode放大器
z 减小噪声：减小gm2（减小Cascode管的跨导效率）
M2的过驱动电压增加，输出端摆幅减小 减小gm2/gm1和Cx
两级放大器
推导过程见网 络学堂中上载 的阅读材料
z 降低噪声：增加Cc z 如果CL较小，β较大，第二级对噪声有较大贡献
z 右半平面零点将减小相位裕度
除非gm2>>βgm1
消除右半平面零点的影响
z 消除补偿电容Cc所引起的前馈通路
插入源极跟随器 插入共栅放大器
z 电阻与Miller电容串联
将零点频率推高到无穷远处 将零点移到左半平面，并与非主极点相消
消除右半平面零点：插入源极跟随器
z前馈支路由CC
M3
和Cgs3串联组成：
绝大多数集成放大器都 是OTA
电压控制电流源（VCCS） 高输出阻抗
不能驱动低的电阻性负 载
采用电容性反馈（如开 关电容电路）
提要
z 跨导放大器的基本概念 z 单级跨导放大器 z 两级OTA的基本特性 z 两级OTA的频率补偿：Miller补偿 z 反馈型OTA中的噪声 z 两级OTA的设计 z 阶跃响应：线性建立过程 z 阶跃响应：放大器中的压摆问题
模电课程设计-音频功率放大器
摘要这次的模拟电路课程设计题目为音频功率放大器，简称音频功放，音频功率放大器主要用于推动扬声器发声，凡发声的电子产品中都要用到音频功放，比如手机、MP4播放器、笔记本电脑、电视机、音响设备等给我们的生活和学习工作带来了不可替代的方便享受。
我主要采用了两种方法对其进行了分析和设计，一种利用了A386集成芯片对其进行放大输出，另一种是利用二极管进行偏置的互补对称电路，即分立元件进行设计放大。
期间遇到了不少问题，不过好在在老师的指导，同学的帮助下终于成功调试成功，听到了悦耳的嗡嗡声，设计题目也算比较圆满的完成了。
在设计的过程中，首先对自己的设计思路有个整体的认识，即对音频功率放大器的原理了解，在查阅了很多资料，以及对实验器材有了初步了解以后，利用课本及一些资料上所描述的同相放大电路和甲乙类互补对称功率放大电路的基本知识，通过对两种方法的对比评析确定了下面的课程设计。
总体设计步骤↓↓↓↓1 设计概述1、1音频功率放大器的设计作为模拟电子课程设计课题设计，本课题提出的音频功率放大器性能指标比较低，主要采用理论课程里介绍的运算放大集成电路和功率放大集成电路来构成音频功率放大器。
1、1、1 设计任务和要求采用运算放大集成电路和功率放大集成电路设计音频功率放大器，其要求如下：①输入信号为vi=10mV, 频率f＝1KHz;②额定输出功率Po≥2W；③ 负载阻抗RL =8Ω。
1、1、2 功率放大器的基本原理音频功率放大器实际上就是对比较小的音频信号进行放大，使其功率增加，然后输出。
其原理如图(一)所示，前置放大主要完成对小信号的放大，使用一个同向放大电路对输入的音频小信号的电压进行放大，得到后一级所需要的输入。
后一级的主要对音频进行功率放大，使其能够驱动电阻而得到需要的音频。
设计时首先根据技术指标要求，对整机电路做出适当安排，确定各级的增益分配，然后对各级电路进行具体的设计。
max Po =8W,输出电压U = L R Po max =8V ，要使输入为10mv 的信号放大到输出的8V ，所需的总放大倍数为800。
集成电路设计基础_华中科技大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年
集成电路设计基础_华中科技大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.画小信号等效电路时，恒定电流源视为。
答案:开路2.模拟集成电路设计中可使用小信号分析方法的是。
答案:增益3.模拟集成电路设计中可使用大信号分析方法的是（）。
答案:输出摆幅4.题1-1-1 中国高端芯片联盟正式成立时间是：。
答案:2016年7月5.题1-1-2 如下不是集成电路产业特性的是：。
答案:低风险6.题1-1-3 摩尔定律是指集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔：个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。
答案:187.MOS管的小信号模型中，体现沟长调制效应的参数是（）。
答案:8.工作在饱和区的MOS管，可以被看作是一个。
答案:电压控制电流源9.下图中的MOS管工作在区（假定Vth=0.7V）。
【图片】答案:饱和区10.一个MOS管的本征增益表述错误的是。
答案:与MOS管电流无关11.工作在区的MOS管，其跨导是恒定值。
答案:饱和12.MOS管中相对最大的寄生电容是。
答案:栅极氧化层电容13.MOS管的小信号输出电阻【图片】是由MOS管的效应产生的。
答案:沟长调制14.题1-1-4 摩尔定律之后，集成电路发展有三条主线，以下不是集成电路发展主线的是：。
答案:SoC15.题1-1-5 单个芯片上集成约50万个器件，按照规模划分，该芯片为：。
答案:VLSI16.题1-1-6 年发明了世界上第一个点接触型晶体管。
答案:194717.题1-1-7 年发明了世界上第一块集成电路。
答案:195818.题1-1-8 FinFET等多种新结构器件的发明人是：。
答案:胡正明19.题1-1-9 集成电路代工产业的缔造者：。
答案:张忠谋20.题1-1-10 世界第一块集成电路发明者：。
答案:基尔比21.MOS管一旦出现现象，此时的MOS管将进入饱和区。
答案:夹断22.MOS管从不导通到导通过程中，最先出现的是。
答案:耗尽23.在CMOS模拟集成电路设计中，我们一般让MOS管工作在区。
模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第3章单级放大器(一)资料
二极管接法的MOS管、电流源、线性区MOS管
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
18
本讲
放大器基础知识 共源级—电阻做负载 共源级—二极管接法的MOS 管做负载 共源级—电流源做负载 共源级－深线性区MOS管做负载 共源级－带源极负反馈
若VTH2随 Vout变化很 小，则有很 好线性度
进入线性区
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
的转换点
25
共源级—二极管接法的MOS 管做负载
用PMOS管做负载时
PMOS管无体效应 忽略rO时
n (W / L)1 Av = p (W / L) 2
优点：增益只于尺寸有关，线性度好
缺点1：大增益需要极大的器件尺寸
考虑rO后的增益
r O1 Av = g m (
1 || RD) RD = // rO2 gm2
1 rO1 rO 2 g m2
Av = g m1 (
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
)
28
如何获得单级更高增益？
本讲
放大器基础知识 共源级—电阻做负载 共源级—二极管接法的MOS 管做负载 共源级—电流源做负载 共源级－深线性区MOS管做负载 共源级－带源极负反馈
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路原理
3
跨导gm
VGS对IDS的控制能力 IDS对VGS变化的灵敏度
gm =
ID VGS VDS cons tan t
W ox L
gm = 2nC
W ox D L
I
= nC
2ID (VGS VTH ), 饱和区时 = VGS V TH
模拟集成电路设计(跨导运算放大器)【范本模板】
模拟集成电路课程设计跨导放大器学院：电信学院班级：微电子92组长:曾云霖（09053057）组员:黄雄（09053042）蒋仪（09053043）跨导放大器设计设计题目:基于所给的CMOS工艺设计一款跨导放大器.跨导放大器的特点是具有非常大的输出阻抗，将输入电压转换成电流输出，相当于压控电流源。
该电路的设计同样需要包括偏置电压电流产生电路。
设计指标:设计指标：（供参考）性能参数测试条件参数指标负载电容30pF电源电压范围 2.5～5.5V静态电流VDD=3。
6V，Temp=27℃〈250μA输出摆幅输入共模电压VDD =3。
6V，Temp=27℃VDD =3。
6V，Temp=27℃0.6～1。
2V0。
1～1V开环增益(低频）VDD =3。
6V，Temp=27℃1800~2200单位增益带宽VDD =3。
6V,Temp=27℃>3MHz相位裕度VDD =3。
6V，Temp=27℃〉60°PSRR（低频）VDD =3。
6V,Temp=27℃>65dB跨导（低频）VDD =3.6V，Temp=27℃（900～1100)μA /V 转换速率VDD =3。
6V，Temp=27℃>3V/μs设计要求：1．确定设计指标(以上指标供参考，可以进行适当修改,但需说明原因）; 2．根据设计指标,可以在参考电路结构基础上确定参数和改进设计，也可以查找文献采用其它结构的电路或创造新的电路结构进行设计；3．阅读模型文件,了解可以选用的器件类型与尺寸范围；4．手工设计:根据拟定的设计指标,初步确定满足指标的各元件的模型与参数：MOS：沟道长度与宽度，并联个数；电阻：宽度、长度、串并联个数；电容：宽度、长度、并联个数；三极管:并联个数.5．采用全典型模型，27℃，验证电路是否满足设计指标；6．设计偏置电路：a）选定电路结构；b) 手工设计：确定各元件的模型与尺寸；c）采用全典型模型，仿真验证偏置电流源的性能；7．将偏置电路和主体电路合在一起仿真，采用全典型模型,27℃，VDD=3.6V，要求电路达到“设计指标"要求，否则应对电路结构和参数进行修改与优化，直至满足要求（可能需要多次调整)，并应包括以下内容：a）一输入端固定为0。
模拟CMOS集成电路设计单级放大器
共源MOSFET的单管增益
北大微电子：模拟集成电路原理
Vgs V1 Vin
Rout
Vout I out
|Vin 0
Vin
0时，Iout
Vout ro
Rout ro 单管增益
Vout Vin
gmro
Amplifiers Ch.3 # 8
第9页/共55页
共源级—电阻做负载（1）
考虑体效应
因为V1 VX，Vbs VX，
所以I X
gmV1 gmbVbs
VX ro
gm gmb VX
VX ro
Rout
VX IX
1
gm
gmb
1 ro
,若
gm gmb
ro 1，则Rout
1 gm gmb
北大微电子：模拟集成电路原理
Amplifiers Ch.3 # 16
Amplifiers Ch.3 # 13
第14页/共55页
二极管接法的MOSFET
北大微电子：模拟集成电路原理
Rout
1 gm
1 ro
1 gm
(gmro 1)
Amplifiers Ch.3 # 14
第15页/共55页
共源级：二极管接法MOSFET负载（1）
Rup Rdown
忽略体效应
北大微电子：模拟集成电路原理
gm1 gm1 1
gm2 gmb2
gm2 1
Amplifiers Ch.3 # 17
第18页/共55页
共源级：二极管接法MOSFET负载（4）
gm
Cox
W L
VGS VTH
2
I
D
Cox
模拟CMOS集成电路设计课程设计实验报告(二级放大器的设计)教材
模拟CMOS集成电路设计课程设计报告--------二级运算放大器的设计信息科学技术学院电子与科学技术系一、概述：运算放大器是一个能将两个输入电压之差放大并输出的集成电路。
运算放大器是模拟电子技术中最常见的电路，在某种程度上，可以把它看成一个类似于BJT 或FET 的电子器件。
它是许多模拟系统和混合信号系统中的重要组成部分。
它的主要参数包括：开环增益、单位增益带宽、相位阈度、输入阻抗、输入偏流、失调电压、漂移、噪声、输入共模与差模范围、输出驱动能力、建立时间与压摆率、CMRR、PSRR以及功耗等。
二、设计任务：设计一个二级运算放大器，使其满足下列设计指标：工艺Smic40nm电源电压 1.1v负载100fF电容增益20dB 至少40dB3dB带宽20MHz输入小信号幅度5uV 共模电平自己选取输出共模电平自己选取电路结构两级放大器相位裕度60~70度功耗无要求三、电路分析：1.电路结构：最基本的二级运算放大器如下图所示，主要包括四部分：第一级放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。
2.电路描述：输入级放大电路由PM2、PM0、PM1和NM0、NM1组成。
PM0和PM1构成差分输入对，使用差分对可以有效地抑制共模信号干扰；NM0和NM1构成电流镜作为有源负载；PM2作为恒流源为放大器第一级提供恒定的偏置电流。
第二级放大电路由NM2和PM3构成。
NM2为共源放大器；PM3为恒流源作负载。
相位补偿电路由电阻R0和电容C0构成，跨接在第二级输入输出之间，构成RC米勒补偿。
此外从电流电压转换角度来看，PM0和PM1为第一级差分跨导级，将差分输入电压转换为差分电流。
NM0和NM1为第一级负载，将差模电流恢复为差模电压。
NM2为第二级跨导级，将差分电压信号转换为电流，而PM3再次将电流信号转换成电压信号输出。
偏置电压由V0和V2给出。
3.静态特性对第一级放大电路：构成差分对的PM0和PM1完全对称，故有G m1=g mp0=g mp1 (1)第一级输出电阻R out1=r op1||r on1 (2)则第一级电压增益A1=G m1Rout1=g mp0,1(r op1||r on1) (3) 对第二级放大电路：电压增益A2=G m2R out2= -g mn2(r on2||r op3) (4) 故总的直流开环电压增益A0=A1A2= -g mp0,1g mn2(r op1||r on1)(r on2||r op3) (5)由于所有的管子都工作在饱和区，所以对于gm 我们可以用公式 g m =D I L W )/(Cox 2μ (6) 进行计算；而电阻r o 可由下式计算 r o =DI 1λ (7)其中λ为沟道长度调制系数且λ∝1/L 。
模拟CMOS集成电路设计(拉扎维)第九章运算放大器
合理安排元件的位置，使它们在版图上相对集中， 以减小连线误差和寄生效应。
方向匹配
确保同一类型的元件具有相同的旋转方向，以减 小失配误差。
防止噪声干扰
01
02
03
隔离噪声源
将噪声源与敏感电路隔离， 以减小噪声干扰。
滤波器设计
在版图中加入适当的滤波 器，以减小信号中的噪声 成分。
接地措施
合理接地，减小地线阻抗 和电位差，以减小噪声干 扰。
在数字电路中的应用
模拟数字转换器（ADC）
运算放大器在ADC中用于放大模拟信号并将其转换为数字信 号。
数字模拟转换器（DAC）
运算放大器在DAC中用于将数字信号转换为模拟信号，实现 数字控制和调节。
在信号处理中的应用
信号调理
运算放大器用于信号的放大、缩小、隔离和缓冲，以适应后续的 信号处理或测量设备。
模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第九章
运算放大器
$number {01}
目 录
• 运算放大器概述 • 运算放大器的基本结构和工作原
理 • 运算放大器的应用 • 运算放大器的设计流程 • 运算放大器的版图设计技巧 • 运算放大器的实际应用案例分析
01
运算放大器概述
定义与功能
定义
运算放大器是一种具有高放大倍数、 高输入电阻和低输出电阻的直接耦合 放大电路，通常由两个晶体管组成。
运算放大器的主要参数
增益
01 运算放大器的放大倍数，通常
用开环增益表示。
带宽
02 运算放大器能够处理的信号频
率范围，通常用单位Hz表示。
输入电阻
03 运算放大器的输入端电阻，通
常用MΩ表示。
输出电阻
模拟cmos集成电路设计拉扎维第4章差分放大器ppt课件
16
差分放大器
优点
抗干扰能力强，高线性度等 和单端电路相比，差分电路规模加倍
与获得的性能提高相比，这个不算做缺点
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
17
本讲
差分放大器简介 简单差分放大器 基本差分对放大器
大信号差分特性 大信号共模特性 小信号差分特性 小信号共模特性
MOS管做负载的基本差分对放大器 差分放大器的应用－Gilbert单元
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
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本讲
差分放大器简介 简单差分放大器 基本差分对放大器
大信号差分特性 大信号共模特性 小信号差分特性 小信号共模特性
MOS管做负载的基本差分对放大器 差分放大器的应用－Gilbert单元
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
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差分放大器简介
AIC中非常重要的电路模块 对两个信号的差值进行放大
(V X V )Y Vin 2引起的 = g m RDVin 2
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
36
小信号差分特性－用叠加法求全差分时的 差模增益
(VX V ) = Y Vin1引起的 gm RDVin1 (VX VY )Vin 2引起的 = gm RDVin2
(VX V ) = Y Vin1和Vin2共同引起的 gmRD (Vin1 Vin2 )
Rout
=
g
1 m+ g
mb
西电微电子学院－董刚－模拟集成电路设计
10
上一章
共栅级
Rin小，Rout大
Av = gm(1+ )RD
Rin = 1/[gm (1+ )]
Rin =
RD + rO
cascode放大器结构原理
cascode放大器结构原理
Cascode放大器是由一个共源共极放大器和一个共栅共源放大器组成的二级放大器。
它的结构可以保证较高的增益和较宽的带宽。
具体来说，输入信号先经过共源共极放大器进行放大，再通过共栅共源放大器进行二次放大。
这种结构可以有效地避免共源共极放大器的Miller效应和共栅共源放大器的热电流噪声，同时提高整个电路的线性度和稳定性。
Cascode放大器的关键是两个三极管的串联，共源共极放大器和共栅共源放大器的晶体管的级联式的电路结构，可以避免MOSFET的Miller效应，从而增强整个电路的线性度，还能提高带宽和增益，并减少功耗。
同时，这种结构具有电压转移倍增特性，可以使输出阻抗变得十分高，因此适用于驱动负载电容非常大的场合，例如显示器等应用。
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哈尔滨理工大学软件学院课程设计报告课程微电子电路（双语）题目带有源负载的CS放大器与带有源负载的cascode放大器班级集成11-4班专业集成电路设计与集成系统学生张翠学号1114020432指导教师徐瑞2013年11月8日目录1.课程设计目的 ....................................2.课程设计题目描述和要求 .............................3.课程设计报告内容 ............................3.1、带有源负载的CS放大器 ......................3.2、带有源负载的cascode放大器 .................4.心得体会 .........................................5.参考书目 .........................................一.课程设计目的1.熟悉并掌握Orcad中的capture CIS，Hspice与cosmosScope软件的使用。
2.掌握使用capture CIS建立带有源负载的CS放大器与带有源负载的cascode放大器的电路并导出网表。
3.熟练应用Hspice仿真网表并修改分析网表，学会用comosScope查看分析波形。
4.在扎实的基础上强化实践能力，把微电子理论实践化。
二.课程设计题目描述和要求分析如图这样的带有源负载的共源极放大器与带有源负载的cascode 放大器的开环增益，3dB频宽，单位增益频率。
其中负载电容为3PF，电源电压为5V，要求CS放大器的开环增益大于30dB，cascode放大器的开环增益大于60dB。
对仿真结果进行分析，功耗小于2mW。
VddCVddC三.课程设计报告内容 1.设计过程： A 、理论分析对2种放大器分别进行分析，设定初值，查找参数值，进行推测和计算、记录各个节点的电流值，电压值，电阻值。
a.CS放大器：， D LWm I k g '2= ，DA o I LV r '=假设100A =o，um L 2=由功耗小于mW 2可假设uA I D 100=从而推出45=LW. b.1 cascode放大器的第一种理论计算：，DLW mI k g '2= ，DA o I L V r '=，假设，umL 2=由功耗小于mW 2可假设uA I D 100=从而推出。
由433212o o m o o m r r g r r g =推出20b.2 cascode 放大器第二种理论计算：假设pAp n An L V L V ''=，既Ap An V V = ，由DA o I LV r '=可知o r 均相同，且um L n1=，um L p 2=。
所以由433212o o m o o m r r g r r g =可推出32=n pW W ，其中 DLW m I k g '2=.利用电流公式()2'21OV D V LW k I = ,1M :2.0=OV V2M :3.0=OV V 推出um W um W n n 20,4521==，理论推得um W p 60=B 、软件的使用首先使用capture CIS 画出电路原理图，完成后导出网表；然后用Hspice 仿真网表，检查无错后用CosmoScope 查看波形。
使用Hspice 工具时，对不同的点做扫描可得出精确的结果。
2.设计内容：A 、带有源负载的CS 放大器的网表及原理图1.cs* source DESIGN1C_C1 0 N00306 3pV_V1 N00357 0 5VdcM_Q4 N00357 N00312 N00306 N00357 NVP + L=2u+ x+ AD=80p+ AS=80pM_Q1 N00312 N00312 N00357 N00357 NVP + L=2u+ x+ AD=80p+ AS=80pM_Q3 N00306 N00770 0 0 NVN+ L=5u+ W=9u+ AD=80p+ AS=80pI_I1 N00312 0 DC 50uAdcV_V2 N00770 0 DC 1.55Vdc AC 1Vac.lib 'C:\lib\h05hvcddtt09v01.lib'tt .ac dec 10 1 1g sweep x 1u 100u 1u.end2.网表仿真截图管子饱和程度：3.给定n管的宽长比扫描P管的宽长比4.调试W/L的网表* source DESIGN1C_C1 0 N00306 3pV_V1 N00357 0 5VdcM_Q4 N00357 N00312 N00306 N00357 NVP + L=2u+ W=6u+ AD=80p+ AS=80pM_Q1 N00312 N00312 N00357 N00357 NVP + L=2u+ W=6u+ AD=80p+ AS=80pM_Q3 N00306 N00770 0 0 NVN+ L=5u+ W=9u+ AD=80p+ AS=80pI_I1 N00312 0 DC 50uAdcV_V2 N00770 0 DC 1.55Vdc AC 1Vac.lib 'C:\lib\h05hvcddtt09v01.lib'tt.ac dec 10 1 1g.end5.网表仿真截图管子饱和程度：6.基本CS的开环增益。
频宽。
单位增益频率。
B.cascode的相关网表及原理图1．先调节W/L* source CACOV_Vb N00867 0 DC 2.25VdcV_Vin N00957 0 DC 1.25Vdc AC 1VacM_Q1 N00553 N00957 0 0 NVN+ L=2u+ W=20u+ AD=80p+ AS=80pI_I1 N01102 0 DC 100uAdcM_Q2 N02167 N00867 N00553 0 NVN+ L=2u+ W=10u+ AD=80p+ AS=80pC_C N02167 0 3pM_Q3 N02167 N01102 N00504 N00424 NVP + L=2u+ W=76u+ AD=80p+ AS=80pV_Vdd N00424 0 5VdcM_Q4 N00504 N00527 N00424 N00424 NVP + L=2u+ W=74u+ AD=80p+ AS=80pM_Q5 N00527 N00527 N00424 N00424 NVP + L=2u+ W=74u+ AD=80p+ AS=80pM_Q6 N01102 N01102 N00527 N00424 NVP + L=2u+ W=76u+ AD=80p+ AS=80p.lib 'c:\lib\h05hvcddtt09v01.lib' tt.ac dec 10 1 10g*.dc V_Vin 1 5 0.1 V_Vb 0 4 0.1.op.end2.仿真结果截图3.Cascode 开环增益。
频宽。
单位增益频率。
四、心得体会通过这次微电子课程设计的实践，我认识到了自己的很多不足和缺点。
刚开始我们着手于管子的尺度，后来老师给我们的讲解顺序是先让管子饱和，根据功耗来算电流，我们选择一个相对较小的电流，50uA，这样利于管子饱和。
然后我跟给放大的n管一个相对合理的Vov，这样我们会算出一个相对合理的沟道宽长比，然后根据N管的宽长比，扫p管的W/L，然后再看管子是否饱和，之后看管子在饱和的时候的合适的W/L。
最后选定P管的W/L。
对于带有源负载的cascode放大器，我们本来想用相同的方法，根据算出来的N管，扫P管的W/L。
但是由于cascode的P管有4个，所以这样扫的时间很长，我们就放弃这个方法，我们在算管的N管，然后给个适当的P的W/L，调管子饱和程度，这样在调合适的增益。
由于我的失误，我把Q管的衬底接在该管子的源极上，导致Q1。
Q2饱和时Q3，Q4就不容易饱和，要不就是Q3，Q4饱和，Q1，Q2不饱和，我们又通过调节W/L，但是最终的结果就是Q3不饱和，要不就是Q1，Q2不饱和。
后来求助了老师，老师发现我的原理图有问题，所以才会发生这种情况，当我们知道问题所在之后，我们就会调W/L，然后就很容易的使管子饱和，然后达到我们需要的增益。
这次的课程设计，我们知道了，一点微小的错误就会产生很大的问题，我们要注意细节问题，在问题产生时，要仔细检查原理以及原图，不要对自己过分相信。
当自己所知道的知识都用过之后，还没有改变的情况时，我们要想想是不是原来的原理有问题，这样就不会浪费太多的时间，也能找出问题所在。
五、参考书目：［1］周玲玲，《微电子电路》，电子工业出版社，2008年。