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 =in
ip nout
v 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
total
L
I 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 L
B : 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1
2-1-1参数分析
•
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 =
4
44EP o d V L
r I =
B= (W 3/L 3)/(W 2/L 2)
则4
34
32233111//)/(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 。

•
增益带宽积GBW
由
1
2d out L f R C π=
out m V BR g A 10=
102m V d L
g B GBW A f C π==
因为C L 的值不变，所以理论上提高M3和M2的沟道宽长比之比B 、增大M1的跨导即增大M1的宽长比可以增大GBW ，且满足增益的要求。

•相位裕度PM
该电路中，nout为主极点，CL不变，所以输出电阻Rout变化会使主极点发生变化。

M2和M3之间的点N2a为第一非主极点，所以通过改变M2M3的W/L之比，通过使第一非主极点的位置外移，进而可以改变相位裕度。

但是，改变管子参数的同时，总会伴随增益或带宽的下降，所以，合理取值才是最重要的。

•最优指数FOM
由
/
L total FOM GBW C I
=⋅
GBW满足要求时，减小I total值可以增大FOM
因为I bias为定值，所以若减少I total，则需减小管子的尺寸
但I total跟GBW具有一定的矛盾关系，且电流太小管子可能会进入截止状态。

即使能令MOS 管处于饱和状态，考虑实际情况，过驱动电压也不能太小。

2-1-2仿真结果
2-1-3相关参数
2-1-4计算参数
C L=1.0386p
I bias=54uA
I total =254.4705u
A V0 =62.111
f d=1.1952MHz
PM =70.629>65
GBW=A V0 f d=62.111*1.7832=110.76>60
total L
I C
GBW FOM •
==0.45>0.422
从输出文件中查得各管都工作在饱和区，符合要求。

由计算，可以证明实验参数符合指标要求。

2-2 问题2
2.2.1对NMOS管进行电路仿真测试并提取参数：
•NMOS管测试电路原理图
漏端电压从0到1.8V以步进0.01进行扫描，同时，栅极电压从0到1V以步进0.05V进行扫描。

•源代码：
（见附录1）
•Nmos 取点：
如下图，于各条曲线取斜率并选取点进行标记
记下其横纵坐标及斜率，计算出VenL，如下表
Vds/V Ids/uA Slope/u VenL
0.9 202.59 22.232 -8.2125
0.95 236.76 27.735 -7.5865
1.0 27
2.56 34.357 -6.9332 Avg -7.5774
VenL＝-7.5774
3.2.2对PMOS管进行电路仿真测试并提取参数：PMOS管测试电路原理图
•源代码：
(见附录二)
•Pmos 取点：
方法同Nmos
Vds/V Ids/uA Slope/u VepL
-0.9 -23.13 0.90731 24.5929
-0.95 -28.556 0.68958 40.4607
-1.0 -34.491 0.51568 65.8845 Avg -28.72643.6460
VepL=43.6460
2-2-3 手算分析
用实验1的管子参数，由手算分析等到理论值，与实验1的仿真值相比较。

Vgs=-1V
仿真后显示其阈值电压Vth=-0.481V 忽略沟道调制效应 此时Ids=-34.9058uA 由
得pmos 的μCox 为51.835u
带入
m g = 其中I d1=27uA W 1/L 1=5.0 / 0.18 得g m1=278.841u A/V
M3和M2的沟道宽长比之比B=(W3/L3)/(W2/L2)= (5.5/1.0)/(2.0/1.0)=2.75 输出电阻
R o3=VenL3/(B*I d1)=92.92K Ω R o4=VepL4/(B*I d1)=587.81K Ω Rout=Ro3//Ro4=80.24K Ω 已知C L =1.0386p
得到f d =1/(2π*R out *C L )=1.9098MHz
由
out
m V BR g A 10=
得到Av =61.529
2-2-4 误差分析
1． 1m g 的误差较大，原因是沟道调制效应等二阶效应导致的。

计算的过程中只考虑了一阶
2))(/(2
1
th gs ox d V V L W C I -=
μ
g的计算产生误差。

模型，忽略了很多二阶效应，计算模型简略导致
1
m
2．f d的结果受到电阻值的影响，由于电阻值较小，则f d的值相对偏大，且具有一定误差。

3．Av的值受到1m g f d的误差影响。

4．三个参数的误差大小与计算VENL和VEPL时的取点有关。

2-3 问题3
2-3-1仿真结果
2-3-2相关参数
2-3-3 计算参数
L C =1.0386pF
I bias =13uA
A V0 =70.009
f d =1.4924MHz
PM =65.409>65
GBW =70.009*65.409=104.4814MHz>100MHz
total I = 88.3776uA
FOM = *L total
GBW C I =1.2278>0.422 从输出文件中查得各管都工作在饱和区，符合要求。

由计算，可以证明实验参数符合指标要求。

且FOM的值约为1，较符合优化设计要求。

四、附录
附录1：NMOS参数提取电路源代码
.subckt ota nd ng ns
**************
* parameters *
**************
.param wmin=0.24u
.param lmin=0.18u
.param l1=1.0u
.param w1=5.5u
***********
* circuit *
***********
m1 nd ng ns ns n_18_g2 l=l1 w=w1 geo=3 m=1
.ends ota
A test structure for the ota
*******************
* The model-files *
*******************
.include models.mdl
***********
* Options *
***********
.option method=gear
.option reltol=1e-5 abstol=1e-9
.option post
********************
* Include circuits *
********************
.include './ota_extract.sp'
**************
* parameters *
**************
.param cl=1.0386p
.param ibias1=54u
***********
* circuit *
***********
xota nd ng nss ota
r1 ndd nd 1k
* the equivalent load capacitance cl nout nss cl
***********
* sources *
***********
* dc sources
vdd ndd 0 1.8
vss nss 0 0
vg ng nss 1
***************
* simulations *
***************
* operating point
.op
.dc vdd 0 1.8 0.01 vg 0 1 0.05
**********
* output *
**********
*.probe dc v(*)
.end
附录二：PMOS参数提取电路源代码
.subckt ota nd ng ns
**************
* parameters *
**************
.param wmin=0.24u
.param lmin=0.18u
.param l1=1u
.param w1=5u
***********
* circuit *
***********
m1 nd ng ns ns p_18_g2 l=l1 w=w1 geo=3 m=1 .ends ota
A test structure for the ota
*******************
* The model-files *
*******************
.include models.mdl
***********
* Options *
***********
.option method=gear
.option reltol=1e-5 abstol=1e-9
.option post
********************
* Include circuits *
********************
.include './ota_extract.sp'
**************
* parameters *
**************
.param cl=1.0386p
.param ibias1=54u
***********
* circuit *
***********
xota nd ng nss ota
r1 ndd nd 1k
* the equivalent load capacitance
cl nout nss cl
***********
* sources *
***********
* dc sources
vdd ndd 0 -1.8
vss nss 0 0
vg ng nss -1
***************
* simulations *
***************
* operating point
.op
.dc vdd -1.8 0 0.01 vg -1 0 0.05
**********
* output *
**********
*.probe dc v(*)
.end
附录3：参数提取及计算所用参考公式
)(/(21)1())(/(2
12
gs ox d th gs ox d V L W C I V V L W C I μμ-=-=44433343,||)/(2d EP o d EN o o o out d ox m I L V r I L V r r r R I L W C g ====μV ds -V E L(or -1/λ) d E
d ds ds ds ds o E I L V I V I I V r L V ===∂∂=∂∂==
λλ1/11L m d V L
out d out
m V C B
g f A GBW C R f BR g A ππ221
1010=
===。