(完整word版)跨导运算放大器的设计

跨导运算放大器的设计

一、实验任务

1-1 实验目的

学会使用数模混合集成电路设计仿真软件Hspice ；学会按要求对电路的参数进行调整；学会对工艺库进行参数提取；学会用提取的参数进行手工计算分析并与仿真得出的参数进行比较。通过上述实践达到对之前所学《模拟集成电路原理与设计》理论课程内容的更深入的理解和掌握，以及初步掌握模拟集成电路设计的方法和步骤，使学生能较快适应未来模拟集成电路设计的需求。

1-2 实验任务：设计一个跨导运算放大器

（1） VDD=1.8 V, 使用models.mdl 库文件，1:B 是指两个管的w/L 之比，I bias =54

A ，试调整各个管

的参数，使该运放的放大倍数A V =

in

ip nout

v v v ->60，而且同时满足增益带宽积GBW>100 MHz ，相位

裕度PM>65 o C ，并且最优指数total

L

I C GBW FOM •=

>0.422，可先参照一个样板仿真文件ota.sp 和

C L

B : 1 1 : B

ota_test.sp ，然后自己调整；

（2） 仿真各指标满足要求后，自行设计参数提取电路进行电路中的各个部分晶体管的参数提取，然后进行

手算分析。将分析结果与实际仿真结果进行比较；

（3） 尽你所能调整除 VDD 之外的其他参数，包括I bias 来提高FOM ，最高能提高到多少？

最后提交一个word 电子文档，包括参数提取过程、手算分析过程、电路图（带管子参数）、仿真波形图、及相关详尽的说明。

二、实验内容

2-1 问题1

2-1-1参数分析

•

增益Av

由out m V BR g A 10=

，m g = 34

||out o o R r r = ，

333,EN o d V L r I =

4

44EP o d V L

r I =

B= (W 3/L 3)/(W 2/L 2)

则4

34

32233111//)/(2d d PN EN d ox out m v I I L L V V L W L W I L W uC BR g A ⨯⨯

==

所以，可通过增大M1的宽长比，增大L4的大小，以及提高M3和M2的沟道宽长比之比B 来提高放大增益V A 。

•

增益带宽积GBW

由

1

2d out L f R C π=

out m V BR g A 10=

102m V d L g B GBW A f C π==

因为C L 的值不变，所以理论上提高M3和M2的沟道宽长比之比B 、增大M1的跨导即增大M1的宽长比可以增大GBW ，且满足增益的要求。

• 相位裕度PM

该电路中，nout 为主极点，CL 不变，所以输出电阻Rout 变化会使主极点发生变化。M2和M3之间的点N2a 为第一非主极点，所以通过改变M2M3的W/L 之比，通过使第一非主极点的位置外移，进而可以改变相位裕度。但是，改变管子参数的同时，总会伴随增益或带宽的下降，所以，合理取值才是最重要的。

• 最优指数FOM

由

/L total

FOM GBW C I =⋅

GBW 满足要求时，减小I total 值可以增大FOM

因为I bias 为定值，所以若减少I total ，则需减小管子的尺寸

但I total 跟GBW 具有一定的矛盾关系，且电流太小管子可能会进入截止状态。即使能令MOS 管处于饱和状态，考虑实际情况，过驱动电压也不能太小。

2-1-2仿真结果

2-1-3相关参数

2-1-4计算参数C L=1.0386p

I bias=54uA

I total =254.4705u

A V0 =62.111

f d=1.1952MHz

PM =70.629>65

GBW=A V0 f d=62.111*1.7832=110.76>60

total L

I C

GBW FOM •

==0.45>0.422

从输出文件中查得各管都工作在饱和区，符合要求。

由计算，可以证明实验参数符合指标要求。

2-2 问题2

2.2.1对NMOS管进行电路仿真测试并提取参数：

NMOS管测试电路原理图

漏端电压从0到1.8V以步进0.01进行扫描，同时，栅极电压从0到1V以步进0.05V进行扫描。

•源代码：

（见附录1）

•Nmos 取点：

如下图，于各条曲线取斜率并选取点进行标记

记下其横纵坐标及斜率，计算出VenL，如下表

Vds/V Ids/uA Slope/u VenL

0.9202.5922.232-8.2125

0.95236.7627.735-7.5865

1.027

2.5634.357-6.9332 Avg-7.5774

VenL＝-7.5774

3.2.2对PMOS管进行电路仿真测试并提取参数：

PMOS管测试电路原理图

•源代码：

(见附录二)

•Pmos 取点：

方法同Nmos

Vds/V Ids/uA Slope/u VepL

-0.9-23.130.9073124.5929

-0.95-28.5560.6895840.4607

-1.0-34.4910.5156865.8845 Avg-28.72643.6460

VepL=43.6460