北邮模拟CMOS集成电路实验报告

模拟CMOS集成电路实验报告

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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、原理图

2、幅频特性曲线

3、相频特性曲线

四、实验结果分析

器件参数：

NMOS管的宽长比为10，栅源之间所接电容1pF，Rd=10K。

实验结果：

输入交流电源电压为1V，所得增益为12dB。

由仿真结果有：gm=496u，R=10k，所以增益Av=496*10/1000=4.96=13.91 dB

可见，实际增益大于理论增益。

补充：电阻改为1k后

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

平衡态下的小信号差动电压增益A V 为：

β1= β2= β=μn C OX (W/L) 四、实验结果

W/L R 5 10 20 30

20K 14.3dB 15.6dB 16.8dB 17.3dB 30K 16.8dB 19dB 20.2dB 20.8dB 40K

20.1dB

20.9dB

21.7dB

22.4dB

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=40K 的情况下的数值，带宽约为1.18G ，可以符合系统的功能特性，实验结果见下图。

SS

V SS D D I A =βI R

=2β()R 2

1.电路图

2.幅频特性曲线

五、思考题

根据计算公式，为什么不能直接增大R实现放大倍数的增大？

答：

若直接增加Rd，则Vd会增加，增加过程中会限制最大电压摆幅；

如果VDD—Vd=Vin—VTH，那MOS管处于线性区的边缘，此时仅允许非常小的输出电压摆幅。即电路不工作。此外，RD增大还会导致输出结点的时间常数更大。

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V GS1=V GS2，则Ml和M2的电流相同。这样由M5通过M2的电流将等于是I OUT为零时M2所需要的电流。如果V GS1>V GS2，由于I0=I D1+I D2，I D1相对I D2要增加。I D1的增加意味着I D4和I D5也增大。但是，当V GS1变的比V GS2大时，I D2应小。因此要使电路平衡，I OUT必须为正。输出电流I OUT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V GS1

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(7-1)中，V ID表示差分输入电压。

上面假设了M1 和M2 相匹配。将式(7-1)代入(7-2)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

（表中数据单位：dB）

40100200500 W/L（N）

W/L（P）

3025.1dB26.8dB28.4dB30.19dB

4026.9dB28.3dB29.9dB32.7dB 7029.8dB32dB34.4dB37.36dB

选择nmos(w/L)=200,pmos(w/L)=40数据作为结果：

由结果曲线可知，此放大器的使用频率范围需要严格控制，当f增大到一定值时，增益下降速率很快。