北邮cmos实验报告概论

北京邮电大学CMOS模拟集成电路设计实验实验报告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、实验要求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、R1=1K电路图幅频与相位曲线参数图2、R1=10K的原理图幅度与相位图参数图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.电压放大倍数大于20dB，尽量增大GBW，设计差分放大器；5.对所设计电路调试；6.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、实验原理平衡态下小信号的差动电压增益为：四、实验结果R W/L 40 30 20 10 5 33K 22dB 21dB 21dB 20dB 18dB 50K 26dB 25dB 25dB 24dB 22dB 100K 32dB 31dB 31dB 30dB 28dB 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，这会限制带宽的特性，W/L增大时，带宽会下降。

为保证带宽，选取W/L=5，R=50K的情况下的数值，保证了带宽约为1.73GHZ，可以符合系统的功能特性，实验结果见下图。

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、实验要求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、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(1)中，VID表示差分输入电压。

上面假设了M1 和M2 相匹配。

将式(1)代入(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：四，实验结果W/L PMOS W/LNMOS500 400 30020020 37.3 38.0 32.3 36.0 30 34.3 33.6 32.7 31.5 50 38.2 37.3 36.9 35.5 电路图幅频特性曲线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、实验设计题目及要求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设计基本参数确定。

1、设计变量初值估算2、验证直流工作点四、实验结果实验五两级运算放大器设计一、实验目的熟悉软件的使用，了解synopsys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、实验要求单级放大器输出对管产生的小信号电流直接流过输出电阻，因此单级电路的增益被抑制在输出对管的跨导与输出阻抗的乘积。

在单级放大器中，增益是与输出摆幅相矛盾的。

要想得到大的增益我们可以采用共源共栅结果来极大的提高出阻抗的值，但是共源共栅中堆叠的MOS管不可避免的减少了输入电压的范围。

因为多一层管子至少增加一个对管子的过驱动电压。

这样在共源共栅结构的增益与输出电压矛盾。

为了缓解这种矛盾引入两级运放，在两级运放中将这两个点在不同级实现。

如本设计中的两级运放，大的增益靠第一级与第二级级联而组成，而大的输出电压范围靠第二级的共源放大器来获得。

设计一个COMS两级放大电路，满足以下指标： A V=5000V/V （74dB） VDD=2.5V VSS=-2.5VGB=5MHz CL=5pf SR>10V/us 相位裕度=60度 VOUT范围=[-2,2]V ICMR=-1~2V Pdiss<=2mW三、实验内容图中有多个电流镜结构，M5,M8组成电流镜，流过M1的电流与流过M2电流ID1,2=ID3,4=1/2*ID5，同时M3，M4组成电流镜结构，如果M3和M4管对称，那么相同的结构使得在x，y两点的电压在Vin的共模输入范围内不随着Vin的变化而变化，为第二极放大器提供了恒定的电压和电流。

图1所示，Cc为引入的米勒补偿电容。

利用表1、表2中的参数第一级差分放大器的电压增益为第二极共源放大器的电压增益为所以二级放大器的总的电压增益为相位裕量有要求60°的相位裕量，假设RHP零点高于10GB以上因此由补偿电容最小值2.2pF，为了获得足够的相位裕量我们可以选定Cc=3pF考虑共模输入范围：在最大输入情况下，考虑M1处在饱和区，有而电路一些基本指标下面用ICMR的要求计算(W/L)3用负ICMR公式计算由式（12）我们可以得到下式进而推出为了得到60°的相位裕量，的值近似起码是输入级跨导的10倍，我们设，为了达到第一级电流镜负载（M3和M4）的正确镜像，要求，图中x，y点电位相同我们可以得到进而由我们可以得到直流电流同样由电流镜原理，我们可以得到四、实验原理电路结构:最基本的 COMS 二级密勒补偿运算跨导放大器的结构如图所示。

主要包括四部分：第一级输入级放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。

相位补偿:电路有至少四个极点和两个零点，假定 z2、p3、p4 以及其它寄生极点都远大于 GBW，若不考虑零点z1，仅考虑第二极点p2，那么这是一个典型的两极点决定的系统。

为保证系统稳定，通常要求有 63°左右的相位裕度，即保持频率阶跃响应的最大平坦度以及较短的时间响应。

但在考虑 z1之后，这个右半平面（RHP）的零点在相位域上相当于左半平面（LHP）的极点，所以相位裕度会得到恶化。

同时如果为了将两个极点分离程度增大，则补偿电容Cc 就要增大，这也会使得零点减小，进一步牺牲相位裕度，如图所示五、实验结果电路图实验总结及问题解决实验中的问题感谢助教老师的帮助和耐心讲解，让我们在解决问题的同时学习到了更多的知识，在实验过程我们遇到了一些问题，总结如下：1.一开始我们不知道怎么看前后的放大倍数，后来是助教告诉我们要看纵坐标的分贝数进行比较。

2.我们的原件参数设置不是太合理，最开始计算出来的值并不是很能用，后来经过不断的修改才调试出最适合的参数。

实验心得体会通过第一次实验，初步掌握了Synopsys软件的设计和仿真过程，学会了基本操作，解决了一些常见误区和问题。

接下来的几次试验都是有助教给好的原理图，我们根据原理图画好电路，自行仿真得出实验要求的参数，并给老师验收。

整个过程中虽然一开始出现了错误，后来慢慢学会了合理分配参数。

最后一次实验需要自行设计，对我们来说也十分有挑战，自行查阅书本后不仅了解了电路的原理，还要自己设计数据。

我们花了1个小时的时间对所有元件进行数据设计和计算，不断逼近要求的值。

通过整个的实验过程，感到Synopsys得功能很强大，但有一些操作比较复杂。

跟以往我们用的模电的软件不同。

通过这几次COMS 设计实验，让我们将课堂上学习的理论知识运用到实践中，在实验调试的过程中更好地理解了理论知识，并加深了对模拟COMS集成电路设计这门课程的理解。

在COMS实验设计过程中，增益、速度、功耗、电源电压、线性度、噪声和最大电压摆幅这些参数都重要，但在实际的设计中，这些参数中大多数都会互相牵制，这将导致设计变成了多维优化问题。

总的来说，这几次实验通过接触COMS集成电路设计让我获益良多，我学会了除了Multism以外的电路软件，相信这次实验经历很给我带来许多新的体会！。