跨导运算放大器及其Spice电路模型的构建
spice和spectre软件使用和运放的仿真方法
斜坡上升 阶跃信号
激励
3.脉冲信号源 V1 N1 N2 PULSE(v1 v2 td tr tf pw per)
V1 N1 N2 PULSE(0 5 1p 1p 1p 5u 10u) 注:v1:值1
v2:值2 td:延迟时间 tr:上升时间 tf:下降时间 pw:脉冲宽度 per:周期
方波
激励
4.正弦信号源 V1 N1 N2 SIN(v0 va freq td θ Φ) V1 N1 N2 SIN(0 1 1) 注:v0:偏置值
基本语法
1. 不区分大小写(case insensitive) 2. 注释:* or $ 3. 数量级表示符号:
T
E12
G
E9
MEG
E6
K
E3
M
E-3
U
E-6
N
E-9
p
E-12
F
E-15
(关键不要搞错M和MEG) 4.赋值单位可以省略
仿真网表的五个主要组成部分
1.电路网表 2.激励 3.仿真分析语句 4.输出命令 5.模型库文件
添加模型时,添加此库文件,section选项只填上tt就可以了!
Hspice模型文件的结构(.lib)
**说明** .lib tt ……参数 .lib “路径/模型名.lib” mos .lib “路径/模型名.lib” bjt .lib “路径/模型名.lib” diode .endl tt ……(包括.lib ss,.lib sf,.lib fs,.lib ff等)
电路网表
包含的内容有器件连接关系、模型名、参 数值、(赋值)、并联个数、(初始值) 例: R1 N1 N2 R W=10u L=1u R2 N1 N2 10K C1 N1 N2 C W=10u L=1u C2 N1 N2 10p C3 N1 N2 10p IC=1
跨导运算放大器设计实例
李福乐 lifule@
1
Specifications
• CSMC 0.6um DPDM CMOS Process • GBW > 100MHz, PM > 60 when CL=2pF • DC Gain > 80dB • Output swing > 4V (differential) • Full differential architecture • Low Power (Large FOM)
所设计的OTA要应用于课程设计10bit cyclic ADC中。 在开关电容ADC中,ADC的速度取决于级电路的建立速度,而级电路的建立过程 可视为由大信号压摆区和小信号线性建立区构成,其中,小信号建立区的时间通 常要占到总建立时间的80%~90%,因此,OTA的大信号压摆率对ADC的速度影响 较小; 从另一个方面来说,压摆率只取决于偏置电Байду номын сангаас,当偏置电流和电容确定后,无论 输入管的VGS-VT是大是小,压摆率都不变。对于连续信号处理电路,我们希望 OTA在整个设计带宽内工作时,输出信号不会因为摆率跟不上而幅度受限,这个 时候需要SR/GBW大一些,即输入管的VGS-VT大一些;但是,对于采样信号处理 电路,比如我们所要设计的ADC,当我们确定好偏置电流,然后降低输入管的 VGS-VT,这个时候,SR不变,GBW变大,即SR/GBW变小了,而最终的建立时 间反而缩小了,ADC的速度加快了。 因此,SPEC中没有提出对SR的具体要求。 注意:不同应用对SR/GBW的不同要求!
3
MOST parameters
• u? Cox?
– Find out un, up, toxn and toxp from model library
(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 μA ,试调整各个管的参数,使该运放的放大倍数A V =inip noutv v v ->60,而且同时满足增益带宽积GBW>100 MHz ,相位裕度PM>65 oC ,并且最优指数totalLI C GBW FOM ∙=>0.422,可先参照一个样板仿真文件ota.sp 和 ota_test.sp,然C LB : 1 1 : B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12-1-1参数分析•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 =444EP o d V Lr I =B= (W 3/L 3)/(W 2/L 2)则43432233111//)/(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 。
(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 =54A ,试调整各个管的参数,使该运放的放大倍数A V =inip noutv 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totalLI C GBW FOM •=>0.422,可先参照一个样板仿真文件ota.sp 和C LB : 1 1 : Bota_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12-1-1参数分析•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 =444EP o d V Lr I =B= (W 3/L 3)/(W 2/L 2)则43432233111//)/(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 。
SiC MOSFET SPICE模型的建立与仿真分析
SiC MOSFET SPICE模型的建立与仿真分析叶雪荣;张开新;翟国富;丁新【摘要】SiC MOSFET与Si MOSFET相比,具有耐高压、耐高温、频率快等诸多优点,得到了越来越广泛的应用。
SPICE模型作为含SiC MOSFET电路仿真分析的基础,对其进行研究十分必要。
以SPICE 1模型为例,介绍了基于LTspice的SiC MOSFET建模流程,通过MOS、体二极管、PCB寄生参数等建模过程,完成了SiC MOSFET SPICE 1模型的建立,并通过仿真分析验证了所建立模型的正确性。
【期刊名称】《电器与能效管理技术》【年(卷),期】2019(000)003【总页数】6页(P25-29)【关键词】SiC MOSFET;SPICE 1模型;仿真;LTspice【作者】叶雪荣;张开新;翟国富;丁新【作者单位】[1]哈尔滨工业大学电器与电子可靠性研究所,黑龙江哈尔滨150001;[1]哈尔滨工业大学电器与电子可靠性研究所,黑龙江哈尔滨150001;[1]哈尔滨工业大学电器与电子可靠性研究所,黑龙江哈尔滨150001;[2]航天安通电子科技有限公司,天津300384;【正文语种】中文【中图分类】TM460 引言作为电力电子变换装置系统的核心组件、电力电子变换技术的基础,半导体技术的发展一直是推动电力电子技术发展的关键[1]。
随着SiC材料的发展,其在高压[2-3]、高温[4-5]、大功率[6]、高频[7-8]等应用场合下具有明显的优势,越来越受到研究者的青睐。
国内外学者对于SiC MOSFET建模的方法做了大量研究。
国外学者对于模型的研究主要分为物理建模和等效电路建模,如文献[9]基于SiC器件的物理特性、物理结构提出一种模型,但其不适用于工程中的应用和分析。
部分文献通过改进传统的Si MOSFET模型进行建模,文献[10]提出了一种变温度参数建模方法,非常适用于高压SiC MOSFET。
此方法对SiC MOSFET的建模具有一定的指导意义,已得到业界普遍的认可。
第5章集成电路元器件及其SPICE模型ppt课件
金属叉指结构电容
优点:不需要额 外的工艺。
特征尺寸急剧降 低,金属线条的 宽度和厚度之比 大大减小,叉指 的侧面电容占主 导地位。
PN结电容
❖ 利用PN结电容的优点也是不需要额外的工艺,但所 实现的电容有一个极性问题。
❖耗尽区
❖反型区
G
Co 沟道 Cdep
Vss
G ++++++
沟道 耗尽层 P型衬底
Vss
(a)物理结构
tox d
Cgb Co 积累区
耗尽区
1.0
反型区
(b)电容与Vgs的函数关系 0.2
0
Vgs
三、集成电感
在集成电路开始出现以后很长一段时间内, 人们一直认为电感是不能集成在芯片上的。因 为那时集成电路工作的最高频率在兆赫量级, 芯片上金属线的电感效应非常小。现在的情况 就不同了,首先,近二十年来集成电路的速度 越来越高,射频集成电路(RFIC)已经有了很 大的发展,芯片上金属结构的电感效应变得越 来越明显。芯片电感的实现成为可能。
在设计电路的时候需要非常准确地 预测出电路的性能。为了做到这一点, 需要对电路尽可能地进行精确的性能分 析(Analysis)。因为集成电路元器件 无法用实物构建,必须首先建立器件模 型,然后对用这些元器件模型所设计的 集成电路进行以分析计算为基础的电路 仿真(Simulation)。
在集成电路的晶体管级仿真方面, SPICE是主要的电路仿真程序,并已成为 工业标准。因此,集成电路设计工程师, 特别是模拟和数字混合信号集成电路设计 工程师必须掌握SPICE的应用。
恒跨导高摆率轨对轨运算放大器的设计
恒跨导高摆率轨对轨运算放大器的设计张伟娟;邹伟;徐坤玉【摘要】本文在分析MOS管恒跨导输入级和AB类输出级运算放大器的基础上设计了一个高摆率、恒跨导的轨对轨运算放大器。
在输入级中采用了齐纳二极管的稳压原理,保证Rail-to-Rail运算放大器的输入跨导恒定。
为了实现高转换率,本文采用了一种新型的压摆率提高电路。
另外,为了提高系统的稳定性,采用了控制零点的米勒补偿进行频率补偿。
采用CSMC 0.5 μm CMOS工艺,用H-Spice对整个运算放大器电路进行仿真验证,结果表明运算放大器输入输出范围基本达到满摆幅,最大跨导变化率仅为3.9%和具有较高的增益和摆率。
%Based on analyzing MOS transistor constant-gm input stage and class AB output of operational amplifier, a high-slew-rate and constant-gm, rail-to-rail operational amplifier was designed. A Zener-diode structure was inserted in the input stage to keep the gm of the input stage constant. A novel slew rate enhancement circuit was implemented to achieve a high slew rate. In addition, the miller compensation was adopted to improve the stability of the system. The circuit was realized in CSMC 0.5 μm CMOS process and is simulated by H-Spice for whole of operational amplifier. The simulated results showed that the operational amplifier has rail-to-rail input and output and the maximum gm fluctuation is only 3.9%. It has quality of high gain and rate.【期刊名称】《电子测试》【年(卷),期】2011(000)011【总页数】4页(P58-61)【关键词】恒跨导;轨对轨运算放大器;摆率【作者】张伟娟;邹伟;徐坤玉【作者单位】兰州交通大学电子与信息工程学院,甘肃兰州730070;兰州交通大学电子与信息工程学院,甘肃兰州730070;兰州交通大学电子与信息工程学院,甘肃兰州730070【正文语种】中文【中图分类】TN4320 引言运算放大器是集成电路中应用最广泛的电路单元之一,它是模拟及数模混合电路中的一个重要模块。
第八讲 跨导运放的分析与设计讲解
由于零点的作用,相位裕度 从60多度减小至39度!
交流扫描
Ota simulation
.prot
.lib ‘LIB_PATH\csmc.lib’ tt
.unprot
.option post probe
分析miller补偿效应
.probe ac v(vo1) v(vo) vp(vo)
.op
*.dc v_vdc 2.48 2.495 0.0001
失调分析
在MOS晶体管的参数中考虑失配 例:原有的 W=12u, M=2 修改为 W=‘12u+12u*0.04u*alfa/sqrt(2*12um*5um)’ M=2 delvto=‘12.5n*alfa/sqrt(2*12um*5um)’ 这里alfa为(0,1)高斯分布变量 依次将网表的内容按照上面的方法修改
.lib ‘LIB_PATH\csmc.lib’ tt
.unprot
.option post probe
.probe dc v(vo1) v(vo)
.op .dc v_vdc 2.48 2.495 0.0001
精扫
*.trans 10ns 200ns 20ns 0.1ns
*.ac dec 10 1k 100meg $sweep rzv 0 2k 0.2k
耗,因此可查得电路功耗为2.47mW • 对于MOS管,注意各参量的含义:region、id、vgs、
vds、vth、vdsat、gm、gmb、gds……可查得流过 M_U3的偏置电流为149.8uA,并注意到M_M3的 region为Linear
直流扫描
Ota simulation
.prot
.lib ‘LIB_PATH\csmc.lib’ tt
跨导运算放大器及其Spice电路模型的构建
2.1 CMOS模拟集成电路基本单元2.1.1 MOS场效应管的基本结构绝缘栅场效应管又叫作MOS场效应管,意为金属-氧化物-半导体场效应管。
图2.1为MOS场效应管的结构和电路符号。
图中的N型硅衬底是杂质浓度低的N型硅薄片。
在它上面再制作两个相距很近的P区,分别引为漏极和源极,而由金属铝构成的栅极则是通过二氧化硅绝缘层与N型衬底及P型区隔离。
这也是绝缘栅MOS场效应管名称的由来。
因为栅极与其它电极隔离,所以栅极是利用感应电荷的多少来改变导电沟道去控制漏源电流的。
MOS场效应管的导电沟道由半导体表面场效应形成。
栅极加有负电压,而N型衬底加有正电压。
由于铝栅极和N型衬底间电场的作用,使绝缘层下面的N型衬底表面的电子被排斥,而带正电的空穴被吸引到表面上来。
于是在N型衬底的表面薄层形成空穴型号的P型层,称为反型层,它把漏源两极的P区连接起来,构成漏源间的导电沟道。
沟道的宽窄由电场强弱控制。
MOS场效应管的栅极与源极绝缘,基本不存在栅极电流,输入电阻非常高。
[20,21]图2.1MOS场效应管的结构和电路符号Fig.2.1 Structure and circuit symbol that MOS Field-Effect Transistor 场效应管有P型和N型之分。
这里的P型或N型,指的是导电沟道是P型还是N 型,即导电沟道中是空穴导电还是电子导电。
因为场效应管中只有一种载流子参加导电,所以又常称为“单极型晶体管”。
P型沟道和N型沟道的MOS场效应管又各分为“耗尽型”和“增强型”两种。
耗尽型指栅极电压为零时,就存在导电沟道,漏源中间有一定电流。
增强型MOS场效应管,则只有在栅极电压大于零的情况下,才存在导电沟道。
2.1.2 MOS场效应管的模型化MOS管的大信号(直流)特性可以用它的电流方程来描述。
以N沟道增强型MOS管为例,特性曲线和电流方程如图2.2所示。
图2.2 特性曲线和电流方程Fig.2.2 Characteristic property curve and electric current equation如果栅源偏置电压GS V 大于MOS 管的阈值电压T V ,则在P 型衬底的表面由于静电感应会产生大量的电子,形成导电沟道。
SPICE的器件模型..
SPICE的器件模型在介绍SPICE基础知识时介绍了最复杂和重要的电路描述语句,其中就包括元器件描述语句。
许多元器件(如二极管、晶体管等)的描述语句中都有模型关键字,而电阻、电容、电源等的描述语句中也有模型名可选项,这些都要求后面配以.MODEL起始的模型描述语句,对这些特殊器件的参数做详细描述。
电阻、电容、电源等的模型描述语句语句比较简单,也比较容易理解,在SPICE基础中已介绍,就不再重复了;二极管、双极型晶体管的模型虽也做了些介绍,但不够详细,是本文介绍的重点,以便可以自己制作器件模型;场效应管、数字器件的模型过于复杂,太专业,一般用户自己难以制作模型,只做简单介绍。
元器件的模型非常重要,是影响分析精度的重要因素之一。
但模型中涉及太多图表,特别是很多数学公式,都是在WORD下编辑后再转为JEPG图像文件的,很繁琐和耗时,所以只能介绍重点。
一、二极管模型:1.1 理想二极管的I-V特性:1.2 实际硅二极管的I-V特性曲线:折线1.3 DC大信号模型:1.4 电荷存储特性:1.5 大信号模型的电荷存储参数Qd:1.6 温度模型:1.7 二极管模型参数表:二、双极型晶体管BJT模型:2.1 Ebers-Moll静态模型:电流注入模式和传输模式两种2.1.1 电流注入模式:2.1.2 传输模式:2.1.3 在不同的工作区域,极电流Ic Ie的工作范围不同,电流方程也各不相同:2.1.4 Early效应:基区宽度调制效应2.1.5 带Rc、Re、Rb的传输静态模型:正向参数和反向参数是相对的,基极接法不变,而发射极和集电极互换所对应的两种状态,分别称为正向状态和反向状态,与此对应的参数就分别定义为正向参数和反向参数。
2.2 Ebers-Moll大信号模型:2.3 Gummel-Pool静态模型:2.4 Gummel-Pool大信号模型:拓扑结构与Ebers-Moll大信号模型相同,非线性存储元件电压控制电容的方程也相同2.5 BJT晶体管模型总参数表:三、金属氧化物半导体晶体管MOSFET模型:3.1 一级静态模型:Shichman-Hodges模型3.2 二级静态模型(大信号模型):Meyer模型3.2.1 电荷存储效应:3.2.2 PN结电容:3.3 三级静态模型:3.2 MOSFET模型参数表:一级模型理论上复杂,有效参数少,用于精度不高场合,迅速粗略估计电路二级模型可使用复杂程度不同的模型,计算较多,常常不能收敛三级模型精度与二级模型相同,计算时间和重复次数少,某些参数计算比较复杂四级模型BSIM,适用于短沟道(<3um)的分析,Berkley在1987年提出四、结型场效应晶体管JFET模型:基于Shichman-Hodges模型4.1 N沟道JFET静态模型:4.2 JFET大信号模型:4.3 JFET模型参数表:五、GaAs MESFET模型:分两级模型(肖特基结作栅极)GaAs MESFET模型参数表:六、数字器件模型:6.1 标准门的模型语句:.MODEL <(model)name> UGATE [模型参数] 标准门的延迟参数:6.2 三态门的模型语句:.MODEL <(model)name> UTGATE [模型参数]三态门的延迟参数:6.3 边沿触发器的模型语句:.MODEL <(model)name> UEFF [模型参数]边沿触发器参数:JKFF nff preb,clrb,clkb,j*,k*,g*,gb* JK触发器,后沿触发DFF nff preb,clrb,clk,d*,g*,gb* D触发器,前沿触发边沿触发器时间参数:6.4 钟控触发器的模型语句:.MODEL <(model)name> UGFF [模型参数]钟控触发器参数:SRFF nff preb,clrb,gate,s*,r*,q*,qb* SR触发器,时钟高电平触发DLTCH nff preb,clrb,gate,d*,g*,gb* D触发器,时钟高电平触发钟控触发器时间参数:6.5 可编程逻辑阵列器件的语句:U <name> <pld type> (<#inputs>,<#outputs>) <input_node>* <output_node># +<(timing model)name> <(io_model)name> [FILE=<(file name) text value>]+[DATA=<radix flag>$ <program data>$][MNTYMXDLY=<(delay select)value>] +[IOLEVEL=<(interface model level)value>]其中:<pld type>列表<(file name) text value> JEDEC格式文件的名称,含有阵列特定的编程数据JEDEC文件指定时,DATA语句数据可忽略<radix flag> 是下列字母之一:B 二进制 O 八进制 X 十六进制<program data> 程序数据是一个数据序列,初始都为0PLD时间模型参数:七、数字I/O接口子电路:数字电路与模拟电路连接的界面节点,SPICE自动插入此子电路子电路名(AtoDn和DtoAn)在I/O模型中定义,实现逻辑状态与电压、阻抗之间的转换。
一种恒跨导CMOS运算放大器的设计
一种恒跨导CMOS运算放大器的设计王怡倢;李会方;温琼;陈志寅【摘要】设计了一种宽带轨对轨运算放大器,此运算放大器在3.3 V单电源下供电,采用电流镜和尾电流开关控制来实现输入级总跨导的恒定.为了能够处理宽的电平范围和得到足够的放大倍数,采用用折叠式共源共栅结构作为前级放大.输出级采用AB类控制的轨对轨输出.频率补偿采用了级联密勒补偿的方法.基于TSMC 2.5μm CMOS工艺,电路采用HSpice仿真,该运放可达到轨对轨的输入/输出电压范围.%A wide-band rail-to-rail operational amplifier working with single power supply of 3. 3 V is designed. Current mirrors and tail current swithes are used to keep the transconductance of the input stage constant. In order to get enough gain and to deal with wider level range, the folded-cascode structure is adopted as the preamplifier. A class AB controJ is used in the outpur stage. The operational amplifier is compensated with the cascoded Miller frequency compensation technique. Based on the TSMC 2. 5 μm CMOS process, the circuit is simulated by HSpice. It can achieve rail-to-rail of signal input and output range.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2011(034)008【总页数】4页(P140-143)【关键词】轨对轨;运算放大器;电流开关;AB类输出级【作者】王怡倢;李会方;温琼;陈志寅【作者单位】西北工业大学电子信息学院,陕西,西安,710129;西北工业大学电子信息学院,陕西,西安,710129;西北工业大学电子信息学院,陕西,西安,710129;西北工业大学电子信息学院,陕西,西安,710129【正文语种】中文【中图分类】TN402-340 引言随着微电子技术的发展,混合信号集成电路得到了广泛应用。
spice模型
PN结是微电子器件的基本结构之一,集成电 路和半导体器件的大多数特性都是PN结相互作 用的结果。如果通过某种方法使半导体中一部 分区域为P型,另一部分区域为N型,则在其交 界面就形成了PN结。 一般的二极管就是由一个PN结构成的,以PN 结构成的二极管的最基本的电学行为是具有单 向导电性,这在实际中有非常大的用处。
SPICE中将MOS场效应管模型分成不同级别, 并用变量LEVEL来指定所用的模型。
1)LEVEL=1
级别为1的MOS管模型又称MOS1模型,这是 最简单的模型,适用于手工计算。MOS1模型是 MOS晶体管的一阶模型,描述了MOS管电流 电压的平方率特性,考虑了衬底调制效应和沟 道长度调制效应,适用于精度要求不高的长沟 道MOS晶体管。
实际电路分析中用到的一般都是元件的 等效电路模型。由于集成电路元件主要是 由半导体器件组成的,因此,这些等效电 路模型又都是以物理模型为基础的。
1)物理模型
半导体器件的物理模型是从半导体的基本方程 出发,并对器件的参数做一定的近似假设而得 到的有解析表达式的数学模型。一般说来,随 着集成电路集成度的提高,器件的结构、尺寸 都在发生变化,器件的物理模型就越加复杂。 在物理模型中经常包含有一些经验因子,目的 是为了使模型与实验结果符合得更好。一般说, 模型中考虑的因素越多,与实际结果就符合得 越好,但模型也就越复杂,在电路模拟中耗费 的计算工作量就越大。
三个非线性栅电容CGB,CGS,CGD由随偏压 变化和不随偏压变化的两部分构成。
其中不随偏压变化的部分是栅极与源区、漏 区的交叠氧化层电容以及栅与衬底间的交叠氧 化层电容(在场氧化层上) 。
随偏压而变的栅电容是栅氧化层电容与空间 电荷区电容相串联的部分。
运算放大器电路及版图设计报告
目录摘要 (3)第一章引言 (4)第二章基础知识介绍 (5)集成电路简介 (5)CMOS运算放大器 (5)理想运放的模型 (5)非理想运算放大器 (6)运放的性能指标 (6)CMOS运算放大器的常见结构 (7)单级运算放大器 (7)简单差分放大器 (8)版图的相关知识 (9)版图介绍 (9)硅栅CMOS工艺版图和工艺的关系 (9)Tanner介绍 (10)第三章电路设计 (11)总体方案 (11)各级电路设计 (11)第三级电路设计 (11)第二级电路设计 (12)第一级电路设计 (13)三级运放整体电路图及仿真结果分析 (15)第四章版图设计 (16)版图设计的流程 (16)参照所设计的电路图的宽长比,画出各MOS管 (16)布局 (18)画保护环 (18)画电容 (18)画压焊点 (19)整个版图 (20)第五章 T-Spice仿真 (22)提取T-Spice文件 (22)用T-Spice仿真 (25)仿真结果分析 (27)第六章总结 (28)参考文献 (29)摘要本次专业综合课程设计的主要内容是设计一个CMOS三级运算跨导放大器,该放大器可根据不同的使用要求,通过开关的开和闭,选择单级、两级、三级组成放大器,以获得不同的增益和带宽。
用ORCAD画电路图,设计、计算宽长比,仿真,达到要求的技术指标,逐级进行设计仿真。
然后用L-Edit软件根据设计的宽长比画版图,最后通过T-Spice仿真,得到达到性能指标的仿真结果。
设计的主要结果归纳如下:(1)运算放大器的基本工作原理(2)电路分析(3)设计宽长比(4)画版图(5)仿真(6)结果分析关键词:CMOS运算跨导放大器;差分运放;宽长比;版图设计;T-Spice 仿真第一章引言众所周知,微电子技术、电力电子技术和计算机技术在相互渗透、相互支撑和相互促进的紧密关系中,均得到了飞速的发展。
现代信息社会的支柱——计算机和通讯,其主要硬件设备是集成电路。
集成电路_Spice,Spectre仿真总结
集成电路_Spice,Spectre仿真总结集成电路_Spice,Spectre仿真总结Designers-Guide to Spice and Spectre 1995 USA Designers-Guide to Spice a nd Spectre — Ken Kundert 11.1 绪论 1. 为什么要读这本书①该书是介于算法和教你如何操作软件之间的一本书可以帮助你更好的使用Simulator的设置。
② Simulator仿出的结果可靠不精确不是否收敛应该如何处理如何设置③读完这本书你应该会 1 Simulator如何计算结果 2 Simulator 会产生何种错误如何识别 3 如何提高仿真精度 4 如何克服不收敛的情况 5 对于一些特殊电路会产生什么错误如何识别 6 明白仿真器里设置convergenceerror control的一些重要参数 7 能知道仿真器的错误信息出在什么地方如何解决2. 电路仿真软件的发展历史①直接方法求出电路的微分方程组用数值积分方法差分化然后用牛顿迭代法求解非线性代数方程组。
?是最准确可靠最通用的方法② Explicit integration methods ?方法问题很多③ relaxiton methods ?方法问题很多 3. Spice Options ① Global Options: Abstol控制电流默认为1pA Vntol控制电压默认为1uV Reltol相对误差对于牛顿收敛准则和截断误差准则同时起作用默认10-3对于重要电路这个应该设置小一些比如说10-5或者10-6Gmin防止非线性器件关断后的浮空节点默认为10-12 Ω-1LimptsPivrelPivtol无用处② DC Analysis Options: ltl1DC工作点最大牛顿迭代次数默认100 ltl2DC Sweep最大牛顿迭代次数默认50 ltl6Source Stepping的最大步长数增加以上3个值可以增加DC牛顿迭代收敛但是会降低速度。
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 μA ,试调整各个管的参数,使该运放的放大倍数A V =inip noutv 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totalLI C GBW FOM •=>0.422,可先参照一个样板仿真文件ota.sp 和 ota_test.sp ,然C LB : 1 1 : B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12-1-1参数分析•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 =444EP o d V Lr I =B= (W 3/L 3)/(W 2/L 2)则43432233111//)/(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 。
CMOS恒跨导运算放大器设计实用PPT课件
一、相关函数的定义与计算
功率有限信号的自相关函数
R ()R x(x)T l i T 1 m T 2 T 2x(t)x(t)dt
两个功率有限信号的互相关函数
R x(y)T l im T 1 T 2T 2x(t)y(t)dt R y(x)T l im T 1 T 2T 2y(t)x(t)dt
● 当Vcm处于中间状态时,
互补差分输入管M1,M2,M3,M4均工作,
开关管M5和M8均截止,此时只有 和 提供尾电流, 从而电路跨导保持恒定。(Vcm为共I ref模1 输I入ref 2电压)
3倍电流镜输入级电路图
第6页/共42页
(4)增益级
● 本设计的运算放大器利用反 馈增大输出阻抗,实现高直流增 益,放大输入级产生的两对差分输 入电流iinp/iin与p iinn/i,inn运算 放大器A1和A2为晶体管M14和M18 提供电压增益,最终放大的信号驱动 输出晶体管M26和M22的栅端。
● 对于这个理想模型,两个电压输入之间开路, 差模输入电阻为无穷大;输出端是一个受差模输入 电压控制的电流源,输出电阻为无穷大。同时, 理想跨导放大器的共模输入电阻、共模抑制比、 频带宽度等参数均为无穷大,输入失调电压、 输入失调电流等参数均为零。
OTA的小信号理想模型
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2 CMOS恒跨导运算放大器的设计
(t
)dt
2
T
ni
(t )ni
(t
)dt]
2
2
R ss ( ) R sn ( ) R ns ( ) R nn ( )
在一般情况下,噪声和信号不相关,有 Rsn ()Rn(s)0
此外,若时延足够大,则 l i mRnn()0
集成电路器件及SPICE模型通用课件
场效应管的SPICE模型
场效应管SPICE模型是模拟场效应管特性的数学模型。
场效应管SPICE模型包括沟道电流、阈值电压等参数,用于模拟场效应管在电路 中的行为。
集成电路器件SPICE模型的参数提取与优化
异构集成与三维集成中的SPICE模型挑战
随着集成电路技术的发展,异构集成和三维集成已经成为趋势。在异构集成和三维集成中, 不同材料和器件之间的相互作用和耦合效应更加复杂,因此需要更加精细的SPICE模型来模 拟。
现有的SPICE模型主要是针对单一器件或单一材料的仿真而设计的,因此在异构集成和三维 集成中需要进行改进和扩展。这需要研究新的建模方法和参数提取技术,以适应不同材料和 器件之间的耦合效应。
电阻器
电阻器是限流元件,用于调节 电路中的电流和电压,分为线 绕、薄膜和厚膜电阻器等类型。
电容器
电容器是储能元件,用于隔直、 滤波和旁路等作用,分为陶瓷、
薄膜和电解电容器等类型。
集成电路器件的工作原理
双极型晶体管工作原理
双极型晶体管利用载流子的扩散与漂移运动 控制电流,具有电流放大作用。
二极管工作原理
优化设计
基于SPICE模型的仿真结果,可以对 电路设计进行优化,改进电路的性能 指标,降低功耗和提高稳定性。
元件匹配与版图布局
元件匹配
SPICE模型可以模拟元件之间的匹配 情况,帮助设计者找到元件的最佳配 置,以确保电路性能的稳定。
版图布局
利用SPICE模型进行版图布局的模拟, 可以预测元件之间的耦合效应和信号 干扰,从而优化版图设计。
VS
效率
一种恒跨导轨对轨输入级运算放大器的设计
收稿日期:2005-08-31基金项目:深圳市天瑞高鑫实业有限公司基金资助项目。
作者简介:谢强(1981-),男,硕士研究生,主要从事低功耗CMO S 运算放大器设计方面的研究。
2006年4月宇航计测技术Apr .,2006第26卷 第2期Journal of Astronautic Metrology and MeasurementVol .26,No .2文章编号:1000-7202(2006)02-0060-05 中图分类号:TN432.1 文献标识码:A一种恒跨导轨对轨输入级运算放大器的设计谢 强 李宏建 朱家俊(湖南大学应用物理系,长沙410082) 摘 要 提出了一种恒跨导轨对轨输入级的结构,从理论上详细分析了这种结构的可行性和优越性,在输入MOS 差分对管处于强反型区和弱反型区时,它都能提供几乎不变的跨导,且采用0.6μmC MOS 工艺对这种运算放大器进行了模拟仿真,其结果与理论值很相符合。
关键词 CMOS 运算放大器 恒跨导 轨对轨Design of A CMOS Op -Amp with Constant -g m andRail -to -Rail Input StageXIE Qiang LI Hong -jian ZHU Jia -jun(Department of Applied Physics ,Hunan University ,Changsha 410082) A bstract A constant -g m Rail -to -Rail CMOS operational -a mplifier input stage is designed ,Conceptuallythe feasibility and the superiority of this architectur e is discussed in details .It pr ovides nearly constant net trans -conductance independent of input transistor operating region (strong ,moderate or weak inversion ),and the Op -Amp with this constant -g m and Rail -to -Rail input stage is simulated in 0.6μm C MOS process ,The re -sults are accorded with the before -mentioned analysis ver y well . Key words CMOS Operational a mplifier Constant -g m Rail -to -Rail1 引 言近年来,在笔记本电脑、移动通信、植入人体的生物医学装置等便携设备飞速发展的推动下,低压低功耗运算放大器已成为低电压电路的重要组成部分[1-3],所供电压的减小导致了输入共模电压范围的减小,从而导致了信号本身变化的减小。
模拟集成电路设计(跨导运算放大器)
模拟集成电路课程设计跨导放大器学院:电信学院班级:微电子92组长:曾云霖(09053057)组员:黄雄(09053042)蒋仪(09053043)跨导放大器设计设计题目:基于所给的CMOS工艺设计一款跨导放大器。
跨导放大器的特点是具有非常大的输出阻抗,将输入电压转换成电流输出,相当于压控电流源。
该电路的设计同样需要包括偏置电压电流产生电路。
设计指标:设计指标:(供参考)性能参数测试条件参数指标负载电容30pF电源电压范围 2.5~5.5V静态电流VDD=3.6V,Temp=27℃<250μA输出摆幅输入共模电压VDD =3.6V,Temp=27℃VDD =3.6V,Temp=27℃0.6~1.2V0.1~1V开环增益(低频)VDD =3.6V,Temp=27℃1800~2200单位增益带宽VDD =3.6V,Temp=27℃>3MHz相位裕度VDD =3.6V,Temp=27℃>60°PSRR(低频)VDD =3.6V,Temp=27℃>65dB跨导(低频)VDD =3.6V,Temp=27℃(900~1100)μA /V 转换速率VDD =3.6V,Temp=27℃>3V/μs设计要求:1.确定设计指标(以上指标供参考,可以进行适当修改,但需说明原因);2.根据设计指标,可以在参考电路结构基础上确定参数和改进设计,也可以查找文献采用其它结构的电路或创造新的电路结构进行设计;3.阅读模型文件,了解可以选用的器件类型与尺寸范围;4.手工设计:根据拟定的设计指标,初步确定满足指标的各元件的模型与参数:MOS:沟道长度与宽度,并联个数;电阻:宽度、长度、串并联个数;电容:宽度、长度、并联个数;三极管:并联个数。
5.采用全典型模型, 27℃,验证电路是否满足设计指标;6.设计偏置电路:a) 选定电路结构;b) 手工设计:确定各元件的模型与尺寸;c) 采用全典型模型,仿真验证偏置电流源的性能;7.将偏置电路和主体电路合在一起仿真,采用全典型模型,27℃,VDD=3.6V,要求电路达到“设计指标”要求,否则应对电路结构和参数进行修改与优化,直至满足要求(可能需要多次调整),并应包括以下内容:a) 一输入端固定为0.6V参考电压,另一输入端从0V上升到3.6V(电源电压)时的输出电压曲线与静态电流曲线,确定低频增益;以输出0.9V为输出参考电压,确定输入失调电压(直流扫描);b) 一输入端固定为0.6V参考电压,另一输入端为信号输入,输出工作点为0.9V时的放大特性:增益、相位、带宽、相位裕量等(交流扫描,);c) 输出工作点为0.9V时,PSRR对于频率(1Hz~100KHz)的特性曲线(交流扫描)电路参考图:原理图分析说明:根据题目说明和参考电路可知,跨导放大器(OTA)是一种电压输入、电流输出的放大器、放大倍数为跨导Gm。
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2.1 CMOS模拟集成电路基本单元2.1.1 MOS场效应管的基本结构绝缘栅场效应管又叫作MOS场效应管,意为金属-氧化物-半导体场效应管。
图2.1为MOS场效应管的结构和电路符号。
图中的N型硅衬底是杂质浓度低的N型硅薄片。
在它上面再制作两个相距很近的P区,分别引为漏极和源极,而由金属铝构成的栅极则是通过二氧化硅绝缘层与N型衬底及P型区隔离。
这也是绝缘栅MOS场效应管名称的由来。
因为栅极与其它电极隔离,所以栅极是利用感应电荷的多少来改变导电沟道去控制漏源电流的。
MOS场效应管的导电沟道由半导体表面场效应形成。
栅极加有负电压,而N型衬底加有正电压。
由于铝栅极和N型衬底间电场的作用,使绝缘层下面的N型衬底表面的电子被排斥,而带正电的空穴被吸引到表面上来。
于是在N型衬底的表面薄层形成空穴型号的P型层,称为反型层,它把漏源两极的P区连接起来,构成漏源间的导电沟道。
沟道的宽窄由电场强弱控制。
MOS场效应管的栅极与源极绝缘,基本不存在栅极电流,输入电阻非常高。
[20,21]图2.1MOS场效应管的结构和电路符号Fig.2.1 Structure and circuit symbol that MOS Field-Effect Transistor 场效应管有P型和N型之分。
这里的P型或N型,指的是导电沟道是P型还是N 型,即导电沟道中是空穴导电还是电子导电。
因为场效应管中只有一种载流子参加导电,所以又常称为“单极型晶体管”。
P型沟道和N型沟道的MOS场效应管又各分为“耗尽型”和“增强型”两种。
耗尽型指栅极电压为零时,就存在导电沟道,漏源中间有一定电流。
增强型MOS场效应管,则只有在栅极电压大于零的情况下,才存在导电沟道。
2.1.2 MOS场效应管的模型化MOS管的大信号(直流)特性可以用它的电流方程来描述。
以N沟道增强型MOS管为例,特性曲线和电流方程如图2.2所示。
图2.2 特性曲线和电流方程Fig.2.2 Characteristic property curve and electric current equation如果栅源偏置电压GS V 大于MOS 管的阈值电压T V ,则在P 型衬底的表面由于静电感应会产生大量的电子,形成导电沟道。
当漏区相对于源区加一正电压DS V 时,在器件内部的沟道中就会产生电流D I 。
MOS 管的工作状态可分为三个区,即电阻区(线性区)、饱和区和截止区。
(1)截止区: V GS <V T 。
此时不能产生导电沟道,漏极电流I D =0。
(2)电阻区:V GS >V T 且V DS <V GS -V T 。
])(2[2'2DS DS T GS D V V V V LW K I --= (2.1) 其中,W 是沟道宽度,L 是沟道长度,V T 阈值电压,0'C K μ=称为跨导参数,μ是载流子的沟道迁移率,0C 是单位电容的栅电容。
(3)饱和区:V GS >V T 且V DS >V GS -V T 。
临界饱和条件为V DS =V GS -V T ,临界饱和时的漏极电流为:2'()2D GS T K W I V V L=- (2.2) 在饱和区,V DS 增大时,I D 几乎不变,所以上式也是饱和区的漏极电流一般公式。
当考虑到沟道长度调变效应之后,饱和区的MOS 管漏极电流为:2'()(1)2D GS T DS K W I V V V Lλ=-+ (2.3)其中,λ为沟道长度调制系数,对于长度为L 的MOS 管,其大信号特性可近似认为λ是常数,并只取决于生产工艺,而与D I 无关。
[22,23]MOS 场效应管的小信号模型输入信号的幅度与电源电压相比较一般很小,它在直流偏置工作点附近变化时,可以近似认为器件工作在线性区间。
大信号特性可以确定器件的直流工作点,小信号特性可以用来设计器件和电路的性能。
MOS 管的小信号模型可以直接由直流模型得出。
在大多数应用中,MOS 管被偏置在饱和区工作,考虑到栅源、栅漏及漏源之间的寄生电容,MOS 管的饱和区小信号模型如图2.3所示。
GSD m V I g ∂∂= (2.4) 式中, m g 为跨导,表征输入电压对输出电流的控制能力。
对于在饱和区工作的模型参数,应用式2.2和2.4得:D m I LW K g '2= (2.5) 其中,D I 是漏极的直流电流。
G图2.3 小信号模型Fig.2.3 S mall signal model当电路在低频工作时可以不考虑这些寄生电容的影响,此时的小信号等效电路如图2.4所示。
图2.4不考虑电容影响的小信号等效电路Fig.2.4 Small signal equivalent circuit that do’t consider capacitance affects2.1.3 CMOS 电流镜电流镜是模拟集成电路中普遍存在的一种标准部件,在传统的电压模式运算放大器设计中,电流镜用来产生偏置电流和作为有源负载。
基本CMOS 电流镜IR VSSIO IR(a)基本NMOS 电流镜 (b )基本PMOS 电流镜图2.5 基本CMOS 电流镜Fig.2.5 Fundamental CMOS electric current mirror基本CMOS 电流镜如图2.5所示,其中图(a)为NMOS 电流镜,图(b)为PMOS 电流镜。
在图(a)中,M 1的栅源短接,V DSI >V GS - V TI ,所以M l 总工作于饱和区。
只要V DS2>V DS1-V T2,M 2也工作于饱和区,漏极的交流输出电阻很高,这是图(a)作为电流镜的必要条件。
在这个条件下,由式2.3,有:)1()(2'22222222DS T GS O V V V L W K I λ+-= (2.6) )1()(2'11211111DS T GS R V V V L W K I λ+-= (2.7) 如果Ml 与M2完全匹配,有''21'K K =,V T1=V T2,,λ1=λ2 =λ,则:212121(1)(1)O DS R DS I W L V I W L V λλ+=+ (2.8) 对于基本CMOS 电流镜,由于沟道长度调制效应的影响,当MOS 管的漏源电压不等时,会引起电流镜电流跟随误差。
但由于λ很小,所以误差也很小。
CMOS 级联电流镜VSSIO IR(a)NMOS 级联电流镜 (b)PMOS 级联电流镜图2.6 CMOS 级联电流镜 Fig.2.6 CMOS level unites the voltaic mirror图2.6为级联电流镜电路图。
图中M 1与M 3级联,M 2与M 4级联。
图2.6(a)为NMOS 级联电流镜,图2.6(b)为PMOS 级联电流镜。
在图2.6中,有I O =I D2,I R =I D1 ,V GS1=V GS2,由式2.3得:)1(')1('1121122122DS DS R O V L W K V L W K I I λλ++= (2.9) 因为M 1与M 3级联,I D1=I D3,又V DS1=V GS1,V DS3=V GS3,那么当M1与M3的工艺参数相同时,由饱和区漏极电流表达式可知:V GS1=V GS3 。
M2与M4级联,有I D2=I D4,由饱和区漏极电流表达式可知:V GS2=V GS4。
对于V DS1、V DS2,有V DS1=V GS1,V DS2=V GS3-V GS4+V GS1 ,又V GS1=V GS2,可得:V DS1=V DS2 。
如果M 1、M 2的工艺参数相等,那么可得:2112O R I W L I W L = (2.10) 当1122L W L W =时,有: R O I I = (2.11)由于级联电流镜的漏源电压基本相等,其电流跟随特性较好,跟随精度较高。
2.1.4 基本源耦差分对电路的跨导分析源耦合差分放大器在模拟集成电路中有着广泛的应用,如集成运放的输入级均采用差分放大器的电路结构[24]。
这是因为差分放大器只对差分信号进行放大,而对共模信号可进行抑制,有很强的抗干扰能力,并具有漂移小、级与级间很容易直接耦合等优点。
如图2.7所示为一个基本的MOS 源耦合差分对管电路。
图中的M1、M2是完全对称的,其工作电流(IDI 、ID2)由电流源Iss 提供。
输出电流ID1、ID2的大小依赖于输入电压的差值(Vi1-Vi2),但ID1和ID2之和恒等于电流源Iss ,在M1和M2的漏极分别接上电阻负载或MOS 管有源负载,即构成差分放大器,由电流输出转换成电压输出,实现电压放大。
Vi1Vi2V-图2.7 基本源耦合差分放大器电路Fig.2.7 Fundamental source coupling differences amplifiers circuitMOS 管M1和M2满足理想对称条件,其体效应和沟道长度调制效应均可忽略,并且始终工作在饱和区,则根据MOS 管在饱和区的电流方程式有:211)(T G S D V V K I -⋅= (2.12)222)(T G S D V V K I -⋅= (2.13)式中,LW K K 2'= 差模输入电压为:KI K I V V V D D GS GS id 2121+=-= (2.14) 又:SS D D I I I =+21 (2.15) 则联立可得:21212221id SS SS idSS D V I K KI V I I -+= (2.16) 22212221id SS SS idSS D V I K KI V I I --= (2.17) 从而得到源耦合差分对的输出电流为:221212id SSid SS D D O V I K V I K I I I -⋅⋅⋅=-= (2.18) 跨导: SS idSS id SS id O m I V K I V K I K V I g 21)1(222⋅-⋅-⋅=∂∂= (2.19)上式表明,CMOS 源耦差分放大器的跨导与Iss 的平方根成正比,同时也与K 的平方根成正比,可通过调节偏置电流或差分对管沟道宽长比W/L 来调节跨导的数值。
2.2 MOS-OTA 基本电路模型及工作原理跨导运算放大器,简称OTA (Operational Transconductance Amplifier ),是一种电压输入、电流输出的电子放大器,可分为双极型和MOS 型两种,它们的功能在本质上是相同的,都是线性电压控制电流源。
但是,由于集成工艺和电路设计的不同,产生它们在性能上的一些不同,相对双极型跨导运算放大器而言,CMOS 跨导运算放大器的增益值较低,增益可调范围较小,但它的输入阻抗高、功耗低,易与其他电路结合实现CMOS 集成系统。