CMOS模拟集成电路设计导论实验报告

CMOS模拟集成电路设计导论实验报告

PB05203094 2系赵占祥

一．实验题目

请设计一个运放，参数要求为：

增益：60-80dB

0dB带宽：200Mhz

相位裕度：60

负载：1p

功耗：15mw

二．实验目的

学习使用Cadence电路设计工具Virtuoso，从电路图的绘制及仿真，到版图绘制及仿真、验证。

三．实验步骤

1.原理

我先设计了一个标准两级运放，电路图为

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该运放包括三部分：

a)差分输入增益级

包括差分输入对管NM0，NM1和有源电流镜负载PM1，PM4。

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差分结构对环境噪声有很强的抗干扰能力，另外增大了可得到的的最大输出电压摆幅。还有其他一些优势。

使用电流镜做有缘负载有三个好处：

1）在相对的、比较小的面积中，有缘负载可以得到比较大的输出阻

抗。

2）电流镜将差分输入信号转换为单端输出信号。

3）有助于共模抑制比CMRR的提高。

b)源跟随器

为PM3和NM4。

从NM0漏极输出的信号输入到这一级，并通过PM3放大，NM4是PM3的有源器件负载。

源跟随器有较大的输入阻抗，可以显著提高第一级放大的增益，减小信号电平损失，起到电压缓冲器的作用。

c)偏置电路

包括PM2，PM0，NM2，NM3。

几个管子构成了几何比例电流源，通过其宽长比来得到合适的电流值。

NM3漏极电流为差分对提供电流源。

电容C0是为了保证电路有足够的相位裕度，保证闭环负反馈系统的稳定而采用的密勒补偿结构。

2.仿真过程

1）设计并绘制电路图和测试电路图

在Virtuoso Schematic Editing中绘制电路图如下（先未加电容）：

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测试电路如下，

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进行直流和交流仿真，

交流仿真参数设置，从1Hz到500MHz：

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仿真结果，带宽为322MHz，增益60.92dB，但相位裕度是负的

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为提高相位裕度，需要使单位增益点向原点靠近，使用密勒电容达到此目的，如下图。

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电容初值606fF

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仿真结果如下图，带宽只有45M，相位裕度0度

再改变电容值，减小密勒电容，以增大带宽

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带宽变为159MHz，相位裕度33度，如下图。

如此类似调整电容大小及MOS管的宽长比，最后达到的最好结果是带宽213MHz，相位裕度48度，增益一直为61dB，相位裕度差一点。我想好好调器件宽长比就肯定能跳出最后结果。

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下图显示出了MOSFET的Id，Vgs，Vds，gm的值。根据Id计算功耗为：

P=Vdd*I=1.8*(17.236u+20.7687u+58.7987u)= 174.24612uW，满足设计要求。

由于我时间不够，而且在自己实验室连接IClab的设计软件时，总是无缘无故自动关闭，且关了之后不能修改，所以我没来得及把参数一一细细调好。

3.折叠式共源共栅运放

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我还设计了一种折叠式共源共栅管，

仿真结果：相位裕度65度，带宽26MHz，增益57.21dB，没多花时间好好调宽长比，折叠式共源共栅运放理应增益较高。

四．实验心得与体会

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本实验对设计运放的要求是增益、带宽、相位裕度、功耗，我做完实验后觉得，最好先调好直流参数，如果直流参数调好，每个管子都工作在饱和区，那么增益一般都会达到60dB 。

调好增益后再调带宽，我觉得可能是因为我选用了标准两级运放，这种结构带宽并不高，所以花了一些时间改宽长比把带宽提高到200MHz 。

满足了增益和带宽后，在满足60度的相位裕度就难了，因为我设计的运放增益和带宽本来就不高，要提高相位裕度，必须要降低增益和带宽，使得这两个参数有难以达到要求，所以最后满足增益和带宽要求，相位裕度最大只能做到48度。加了密勒电容后，由于

RC

f π21=

使得电容增大，带宽减小。