cmos实验报告

模拟集成电路设计实验报告

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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、电路图

2、幅度和相位曲线

3、部分参数

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：

由仿真结果有：gm=173u，Rd=10k，所以增益Av=173*10/1000=1.73=4.76dB

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AV为：

四、实验结果

改变W/L和栅极电阻，可以看到，R一定时，随着W/L增加，增益增加，W/L一定时，随着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=25，R=20K的情况下的数值，保证了带宽约

为500MHZ，可以符合系统的功能特性，实验结果见下图。

1.电路图

2.幅频特性曲线

该图增益为26.9Db,采用W/L为25，R取30k，带宽约为300M

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VGS1=VGS2，则Ml和M2的电流相同。这样由M5通过M2的电流将等于是IOUT 为零时M2所需要的电流。如果VGS1>VGS2，由于I0=ID1+ID2，ID1相对ID2要增加。ID1的增加意味着ID4和ID5也增大。但是，当VGS1变的比VGS2大时，ID2应小。因此要使电路平衡，IOUT必须为正。输出电流IOUT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VGS1

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，VID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

选择nmos(w/L)=80,pmos(w/L)=70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。

1.电路图

2.幅频特性曲线

增益为-8.62-（-40）=31.38dB

五、实验分析

本次实验是在实验二的基础上进行修改调试的，电压增益为33.3dB，电压的理论增益公式为：

电源电压的设计需要合适的范围，既不能太小，也不能太大。过小会使得场效应管不能进入到饱和区，过大会使得此放大器的输出摆幅过小，我们的电路设计中选择电源电压为3V，可以满足实验要求。

实验五：共源共栅电流镜设计

一、实验目的

熟悉软件的使用，了解Cadence软件的设计过程。掌握电流镜的相关知识和技术，设计集成电路实现所给

要求。

二、实验要求

低输出电压高输出电阻的电流镜设计

包括基本共源共栅电流镜设计和低压共源共栅电流镜设计

1.电流比1：1

2.输出电压最小值0.5v

3.输出电流变化范围5-100uA

三、实验内容

其中：每个MOSFET的衬底都接地，(W/L)1=(W/L)2;(W/L)3=(W/L)4.

通过大信号直流工作点分析和小信号等效电路分析（对不起，这部分分析是电路设计的基础，希望大家看相关的资料，这里就不详细展开了。），可以知道该电路的特点如下：1.小信号输入电阻低（～1/gm1）

2.输入端工作电压低

3.小信号输出电阻高

4.输出端最小工作电压低

1、设计变量初始估算