电子科技大学-集成电路原理实验-CMOS模拟集成电路设计与仿真-王向展

实验报告

课程名称：集成电路原理

实验名称：CMOS模拟集成电路设计与仿真小组成员：

实验地点：科技实验大楼606

实验时间：2017年6月12日

2017年6月12日

微电子与固体电子学院

实验报告–CMOS模拟集成电路设计与仿真

一、实验名称：CMOS模拟集成电路设计与仿真

二、实验学时：4

三、实验原理

1、转换速率（SR）：也称压摆率，单位是V/μs。运放接成闭环条件下，将一个阶跃信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得运放的输出上升速率。

2、开环增益：当放大器中没有加入负反馈电路时的放大增益称为开环增益。

3、增益带宽积：放大器带宽和带宽增益的乘积，即运放增益下降为1时所对应的频率。

4、相位裕度：使得增益降为1时对应的频率点的相位与-180相位的差值。

5、输入共模范围：在差分放大电路中，二个输入端所加的是大小相等，极性相同的输入信号叫共模信号，此信号的范围叫共模输入信号范围。

6、输出电压摆幅：一般指输出电压最大值和最小值的差。

图1两级共源CMOS运放电路图

实验所用原理图如图1所示。图中有多个电流镜结构，M1、M2构成源耦合对，做差分输入；M3、M4构成电流镜做M1、M2的有源负载；M5、M8构成电流镜提供恒流源；M8、M9为偏置电路提供偏置。M6、M7为二级放大电路，Cc为引入的米勒补偿电容。

其中主要技术指标与电路的电气参数及几何尺寸的关系：转换速率：SR=I5

C c

第一级增益：A v1=−g m2

g ds2+g ds4=−2g m1

I5(λ2+λ3)

第二级增益：A v2=−g m6

g ds6+g ds7=−2g m6

I6(λ6+λ7)

单位增益带宽：GB=g m2

C c

输出级极点：P2=−g m6

C L

零点：Z1=g m6

C c

正CMR：V in,max=V DD−√I5

β3

−|V tℎ3|(max)+V tℎ1,min

负CMR：V in,min=√I5

β1+V

ds5,饱和

+V tℎ1,max+V ss

饱和电压：V

ds,饱和=√2I ds

β

功耗：P diss=(I8+I5+I7)(V DD+V SS)

四、实验目的

本实验是基于微电子技术应用背景和《集成电路原理与设计》课程设置及其特点而设置，为IC设计性实验。其目的在于：

•根据实验任务要求，综合运用课程所学知识自主完成相应的模拟集成电路设计，掌握基本的IC设计技巧。

•学习并掌握国际流行的EDA仿真软件Cadence的使用方法，并进行电路的模拟仿真。

五、实验内容

1、根据设计指标要求，针对CMOS两级共源运放结构，分析计算各器件尺寸。

2、电路的仿真与分析，重点进行直流工作点、交流AC和瞬态Trans分析，能熟练掌握各种分析的参数设置方法与仿真结果的查看方法。

3、电路性能的优化与器件参数调试，要求达到预定的技术指标。

4、整理仿真数据与曲线图表，撰写并提交实验报告。

5、运放指标要求：

•驱动负载电容C L为1.5pF；

•开环增益Av≥65dB；

•增益带宽积GB≥60MHz；

•转换速率SR≥20V/μs；

•输入共模范围0.6V到2.8V；

•输出电压摆幅大于2.3V；

•相位裕度45°≤PM≤75°。

六、实验仪器设备

（1）工作站或微机终端一台

（2）EDA仿真软件1套

七、实验步骤

1、参数计算：

由umc18工艺得对应的一些基本参数：

V thn=0.59，V thp=0.72，u n=341，u p=81，t ox=7e-9，L min=3.4e-7，

通过计算得出参数：

K n=1.68e-4，K p=4e-5

（1）计算最小补偿电容Cc

根据指标要求，在此预设相位裕度为60°，则由零点Z1和第二极点P2对补偿电容的要求，得：（P2>2.2GB）

C c>2.2

10

⋅C L=

2.2

10

×1.5=0.33pF

保守做法，取Cc为0.5pF。

（2）由SR 、Cc 求出偏置电流I 5：

I 5=C c ⋅SR =0.5×10−12×20×106=10uA

此为最小I 5，取I 5=20uA 。 （3）用CMR 计算(W/L)3:

(W L )3=2I 3K 3[V DD−V

in,max −|V tℎ3|max +V tℎ1,min ]

2 =20×10−6

4×10−5×(3.3−2.8−0.72+0.59)2

=3.65 （4）由GB 、C C 求出g m1、g m2

g m1=GB ⋅C C =2π×60×106×0.5×10−12=188.5uS

(W L )1=(W L )2=g m12

K 1⋅I 5=(188.5)2168×20

=10.57 （5）计算(W/L)6

g m6=2.2⋅g m2⋅C L C C =2.2∙(188.5×10−6

)⋅1.50.5

=1244.1uS

g m4=√

2C ox ⋅μ⋅W

L

I ds =54uS (W L )6=(W L )4g m6g m4=3.65×1244.154

=84.1 I 6=g m6

2

2⋅K 6⋅(W L )

6

=(1244.1×10−6)2

2×4×10−5×84.1=230uA （6）计算(W/L)7

(W L )7=(W L )5⋅I 6I 5=(W L )5⋅23020=11.5(W L )5

（7）剩余参数的确定

M9和M8构成偏置电路给M5提供栅压，M8和M5又构成电流镜，由于M5工作在饱和区间，所以由经验取(W/L)9=1.2，(W/L)8=10。

（8）利用计算所得参数对电路进行仿真，根据仿真结果再进行细调参数。根据实验原理和设计指标要求，最终各个元器件的参数如表1所示；Candence 下电路图如图2所示。