《模拟集成电路设计》实验指导

尺寸 W/L
2um/0.7um=2.86 0.35um/2um=0.175 1um/0.7um=1.43 1um/1.4um=0.71
4、增益 AV 的估算
1 W AV g m1 ro1 / / ro3 2nCox I1 398 52dB ，符合要求。 L 1 n p I1
5、转换速率 Sr 的估算。 Sr=ISS/CL==1.2V/us 满足要求。 6、CMRR 的估算
CMRR ADM 1 1 W W g m3,4 (ro1,2 || ro3,4 )(1 2 g m1,2 RSS ) 2 pCox I3 (1 2 2nCox I 3 ) ACM L 3 n p I3 L 1 n I RSS
估算共模抑制比。 7、PSRR(电源抑制比)的估算 根据第 9 章 p275 对有源电流镜差动对的电源抑制比的计算和分析，电源抑制比的计算 公式为 PSRR gm1 ro1 / / ro3 。 8、输入共模电平和输出共模电平的确定。 根据题目要求，要求输入共模电平 Vin,CM=1.6V；Vout,CM=1.6V。 在以上的设计下，可以得到各个管子等的参数，从而确定电路参数的设计。 9、电路的总功率的估算。 电路的总功率为电压源和电流源的功率之和，即：
9、电路的总功率的估算。 电路的总功率为电压源和电流源的功率之和，即：
PD=PV+PI=VDD (ISS+IREF)-(VDD-VGS6) IREF
电压源的功率为：
Pv=VDD (ISS+IREF)=3.3V (6 3)A=29.7 W
电流源的功率为：
PI=-VI IREF=-(VDD-VGS6) IREF=-(3.3-0.9)V 3uA=-7.2uW
一、在 Schematic Editor 界面画电路图
1、注意各个器件的库的选择： ①电源 vdd，地 gnd，直流电压源 vdc 和电流源 idc，均来自于 analogLib; ②NMOS 管、PMOS 管来自于 tsmc18rf nmos3V 和 pmos3v 模型。 2、各个器件的参数选择 vdd=3.3V；CL=5pF。其它均按照 自己设计的参数。 本例按照上一页给出的参数仿真。 3、符号的生成 为了方便设置测试电路，这里最好产生电路符号图，从而 实现层次化设计，方便调用。符号的产生方法请参看文档 “cadence 操作指导”相关内容。这里产生的符号外观如图所示。
PD=PV+PI=VDD (ISS+IREF)-(VDD-VGS6) IREF
2
copy right @mwy;
Email: mwy@
有源电流镜差分放大器的一种设计实例 详细的计算过程
1、尾电流源 ISS 的确定。 转换速率 Sr>1V/us，转换速率的公式 Sr=ISS/CL，ISS>5 的要求。要求功耗越小越好，故 这里 ISS 越小越好。最终，取 ISS=6μA。故 I1-4=3μA. 假设 IREF=3μA，显然 M5 的尺寸应该为 M6 的 2 倍。 2、MOS 管过驱动电压 VOD 的确定。 VOD1-2= 100mV；VOD5-6= 200mV；VOD3-4= 950mV。 3、MOS 管尺寸的确定
+ VCM out
我们需要对输入共模电压进行直流扫描， 观察 M1 漏极电流和 M5 漏极电压与输入共模 电压的变化关系。直流扫描范围设定为 0V~3.3V。可得到如下的曲线。下面左图为 M1 管漏 极电流随输入共模电压的变化曲线，可见，当 Vin，CM>1.12V 时，输出漏极电流几乎保持不 变；下面右图为尾电流源 M5 漏极电压随输入共模电压变化曲线，可见，当 Vin，CM<2.43V 时，M5 饱和，两电压可形成跟随关系(近似线性)。因此，本设计的输入共模电压的范围应 为【1.12V—2.43V】。
1 2 → W L 5 1.443 ； W L 5 1.44 (注：尾电流源 ISS 的大小取决于 I5 nCox W L 5 VOD 5 2
M5 和 M6 两个管子的尺寸)
MOS 管尺寸汇总表 名称
M1、M2 M3、M4 M5 M6
类型
NMOS PMOS NMOS NMOS
1、尾电流源 ISS 的确定。 需要根据 2 个条件确定。 ①转换速率的要求。这里要求转换速率 Sr>1V/us。可以根据转换速率的公式 Sr=ISS/CL 确定尾电流源 ISS 的要求。同时应该清楚，转换速率越大越好。 ②功耗的要求。 PD=PV+PI=VDD (ISS+IREF)-(VDD-VGS6) IREF 。题目要求功耗越小越好， 故这里 ISS 越小越好。 可见，以上 2 个条件形成一对折衷的矛盾，即转换速率大，必然导致功耗高。 根据以上 2 个条件可确定尾电流源 ISS 的大小。 2、MOS 管过驱动电压 VOD 的确定。 ①一般来讲，NMOS 差分对管的过驱动电压一般为 0.1V~0.3V(不超过 0.3V)。 ②PMOS 具有较小的沟道迁移率，因此应具有较大的过驱动电压； ③尾电流源的 NMOS 管承载更大的电流，因此过驱动电压应该较大。 ④根据电路结构和输出直流电平要求， PMOS 的过驱动电压应该如下方式确定： VODP=VDD-VODC-|VTHP|，其中|VTHP|的值约为 0.75V。 根据以上原则，可确定 6 个管子的过驱动电压。 3、MOS 管尺寸的确定 根据电流公式： I D
5 copy right @mwy; Email: mwy@
三、共模输入范围的仿真测量
共模输入范围用于保证放大器能够正常工作在放大状态。 可以对输入共模电压进行直流 扫描。当电路能够正常工作在放大状态时，要求①输入差分对管 M1 或 M2 的漏极电流能够 保持稳定，同时，②尾电流源的 NMOS 管 M5 的漏极电压与共模输入能够形成电压跟随(即 M1 和 M5 均在饱和区时，构成源跟随器，VD5 跟随输入 Vin，CM 的变化而近线性变化)。用于 测定共模输入范围的电路如图。
说明： 《模拟集成电路设计》课程实验共16学时，包含2个课程设计，请同学们自己 合理安排实验时间分配。2个课程设计结束后，课程设计报告以1个word文档电子版形式 上交。谢谢配合。
课程设计项目二：有源电流镜差分放大器设计实验指导 预备知识
如右图为有源电流镜差分放大器。 已知：VDD=3.3V， CL=5pF。 要求：Av>140 , 总功耗 PD 越小越好； CMRR>30dB；PSRR>30dB；Sr>1V/us 输入输出直流电平 VIDC=1.6V 和 VODC=1.6V。
二、直流(DC)静态工作点仿真
本次直流分析的目的是测定电路的直流静态工作点。根据题目要求，输入共模电压为 1.6V。用于测试直流静态工作点的电路如图。请按照如下方法连接电路。这里，VCM 指的 是 1.6V 的直流源 vdc。
+ VCM out
仅仅观察输入静态工作点，无需对输入电压进行扫描。因此DC分析设置时，只需勾选 Save DC Operating Point即可。 静态工作点参数的查看请按照文档“《模拟集成电路设计》课程设计 1 实验指导”p4 中关于静态工作点查看方法的说明。我们这里需要查看的是：M5 的漏极电流 id(即 ISS)，输 出静态电压 Vout，CM，输入差分对管 M1 和 M2 的电流等。 根据前面给出的本例的参数进行直流仿真的结果是：ISS=5.332μA；输出静态电压 Vout，CM，=1.559V；M1 和 M2 管的电流 ID1-2=2.666μA。基本满足要求。
NMOS 3V μn=410cm /V/s Cox=5.07fF/μm2 μn* Cox=2.079*10-4F/m2 λn=0.015(L=1μm)
2
PMOS 3V μp=100 cm2/V/s Cox=5.07fF/μm2 μp* Cox=0.507*10-4F/m2 λp=0.035(L=1μm)
修改参数后重新估算。 5、转换速率 Sr 的估算。 Sr=ISS/CL，估算是否满足要求。 6、CMRR 的估算 根据第五章中关于对有源电流镜尾电流源电阻不是无穷大引起的共模抑制比的描述和 分析，共模抑制比的公式为：
CMRR
g (1 2 g m1,2 RSS ) ADM g m1,2 (ro1,2 || ro3,4 ) m3,4 g m3,4 (ro1,2 || ro3,4 )(1 2g m1,2 RSS ) ，可以 ACM g m1,2
计算可得，CMRR=64577≈96dB，满足要求。 7、PSRR(电源抑制比)的估算
PSRR gm1 ro1 / / ro3 AV 398 52dB ，满足要求。
8、输入共模电平和输出共模电平的确定。 输入共模电平 Vin,CM=1.6V；Vout,CM=1.6V。
3 copy right @mwy; Email: mwy@
1 2 → W L 12 2.886 ； I12 nCox W L 12 VOD 12 2
1 2 → W L 34 0.13 ；(注：静态输出是否等于 1.6V，取决于两 I34 pCox W L 34 VOD 3 4 2
个 PMOS 的过驱动电压，从而取决于 PMOS 的宽长比)
由以上参数，可以确定各个管子的尺寸 W/L。 4、增益 AV 的估算 根据增益公式 AV gm1 ro1 / / ro3 ；跨导公式 g m1 2nCox
W I1 以及输出电阻公式 L
ro 1 I D 可以估算增益。 若符合设计对增益的要求， 则继续进行其它参数估算。 若不符合，
四、共模输出范围的仿真测量
共模输出范围的测量用于即是电路正常放大工作时，共模输出可能的波动范围。用于 共模输出范围的测量电路如下图。设置合适的负反馈电路，将共模输入电压 1.6V 放置于负 反馈电路中。当正向输入端电压(直流)改变时，输出电压会随之改变。只有当放大器中所有 MOS 管均处于饱和工作状态时，输出才会产生最大的增益，并在此增益下几乎保持不变。 本例的仿真结果可以看出，当输入为 1.575V~1.649V 时，输出能够达到最大摆幅，即 为：0.795V<Vout<2.968V，因此输出最大摆幅为 2.173V。并且，当输入为 1.6V 时，输出为 1.56V，这与前面静态工作点的计算是相符的。
总功率为：
PD=PV+PI=29.7-7.2=22.5 W
4
copy right @mwy;
Email: mwy@
仿真过程
注： 1. 2. 3. 以下过程仅仅是操作指导，具体实验时要按照课程设计题目要求设置和操作； 若某些操作不清楚，请参考文档“cadence 操作指导” ； 若有错误和疑问，请及时联系。
＋
out 9M
V
6
copy right @mwy;
Email: mwy@
五、增益的仿真测量
增益测量电路连接方式如下。输入共模电压VCM=1.6V，并提供一个差模为1mV的输入 交流电压。 注意， 两个电压源的参数可以采用如下的方式。 即均采用vdc， 交流幅值均为500μV， 相位相差180°。
运用交流分析扫描输出结点电压与频率的关系， 可获得增益曲线如下图。 根据图中的仿 真结果(左图为输出特性曲线， 右图为增益曲线)， 在前面给出的参数下， 本例的增益为341.2, 或者是50.66dB，满足设计要求。
1 W 2 ，因此 MOS 管的尺寸一般需要根据尾电流源 ISS nCox VOD 2 L
和过驱动电压 VOD 来计算。这里，还需要知道 nCox 大致的参数值。 TSMC018 工艺库中 NMOS3V 和 PMOS3V 的部分参数如下。
1
copy right @mwy;
Email: mwy@