哈工大cmos模拟集成电路大作业.pdf
H Ha ar rb bi in n I In ns st ti it tu ut te e o of f T Te ec ch hn no ol lo og gy y模模拟拟 C CMMO OS S 集集成成电电路路大大作作业业设计题目：二级运放设计院系：班级：设 计 者：学号：设计时间：2011.6.20哈尔滨工业大学20122012年年设计题：设计题：假定nCox=110A/V2，pCox=50A/V2，n0.04V-1，p0.04V-1（有效沟道长度为1m时），n0.02V-1，p0.02V-1（有效沟道长度为2m时），n0.01V-1，p0.01V-1（有效沟道长度为4m时），=0.2，VTHN|VTHP|=0.7V。设计如下图的放大器，满足如下要求，其中负载电容CL=10pF。Av 4000V/V，VDD=5V，GB=5MHz，SR 10V/s，60 相位裕度，Vout 摆幅=0.54.5V,ICMR1.54.5V，Pdiss2mW1.请说明详细的设计过程，包括公式表达式（假定Cox=0.35fF/m2，栅源电容按 计算）；2.给出进行交流仿真和瞬态仿真的spice仿真的网表，并给出仿真波形和结果。3.如果要求Av至少提高为原来的2倍，其它要求不变，如何修改电路（注意讨论对其它性能参数的影响）？注意事项：1.计算得到的极点频率为角频率。2.尺寸最后应选取整数，工艺精度的限制。3.尾电流增加，Av增加还是减小？1.1.根据相位裕度根据相位裕度 PM=60degPM=60deg 的要求，求的要求，求 C Cc c（假定（假定z z10GB10GB）;考虑零点的影响，CC 的选取：PM=60时，GB 处GB arctgGBarctgp1p 2 arctg GB 180 60 z令z=10GB 时GBarctg0.11806090arctgp2若 PM60,p22.2GB，并由z=10GBgmIIg 2.2mIICL10CC由此可得：CC0.22CL负载电容 CL=10pF,所以 Cc2.2pF,取 Cc=3pF2.2.由已知的由已知的 CcCc 并根据转换速率的要求（或功耗要求）选择并根据转换速率的要求（或功耗要求）选择 ISSISS（I5I5）的范围；）的范围；由SrI5，Sr10V/s,可得I5 30A,取I5 40ACC3.3.由计算得到的电流偏置值由计算得到的电流偏置值(I5/2),(I5/2),设计设计 W3/L3W3/L3（W4/L4W4/L4）满足上）满足上 ICMRICMR（或输出摆幅）要求，即饱（或输出摆幅）要求，即饱和区条件；和区条件；极限情况下，即 ICMR 达最大 4.5V 时，M3，M4 管的过驱动电压为：VOD3,4VDD ICMRVTHn VTHp由此可得，M3，M4 管的漏电流：1W1WpCoxVOD3,42pCox(VDD ICMRVTHn VTHp)2 20A2L2L2代入pCox=50A/V，VDD=5V，ICMR+=4.5V，I5=40A，VTHN|VTHP|=0.7V可得：WW()3,4 3.2，此时取()3,4=4LLI5/2 I3(4)4.4.验证验证 M3M3 处镜像极点是否大于处镜像极点是否大于 10GB10GB验证gm3gm310GBCgs3Cgs42Cgs3Cgs3 0.67W3L3Cox 0.674440.3510-151.500810-14Fgm32pCoxWI3250106420106 89.44106A/VL代入验证成立5.5.设计设计 W1/L1W1/L1（W2/L2W2/L2）满足）满足 GBGB 的要求的要求GB gm1/Ccgm12nCox由此解得：WI1 CcGB 3101225106L(WW)1,2=2.01，此时取()1,2=3LL6.6.设计设计 W5/L5W5/L5 满足下满足下 ICMRICMR（或输出摆幅）要求；（或输出摆幅）要求；当 ICMR 取最小值 1.5V 时，M5 管的过驱动电压为：VOD5I52I1 ICMRVGS1 ICMRC(W/L)VTHnox122010-60.7=0.45V=1.5-11010-631W2nCox()VOD52LWW由此可得，()5 3.59，取()5 4LL7.7.根据根据p22.2GBp22.2GB 计算得到计算得到 gm6gm6；并且根据偏置条件；并且根据偏置条件 VSG4=VSG6VSG4=VSG6 计算得到计算得到 M6M6 的尺寸的尺寸由p2gm6g，GB=m2;且p2 2.2GB得：CLCCgm6 2.2gm2CL/Cc,令gm6=2.2gm2CL/CcW)6(VGS6VTHP)L2.2nCox(W)2(VGS2VTHN)CLLCc所以pCox(1W41W2根据电路结构得：I2 I4;即pCox(VGS4VTHP)2nCox(VGS2VTHN)22L42L2又因为VGS6VGS4,所以VGS6VTHPVGS4VTHP(VGS2VTHN)W62.2CL=L6CCn(W2/L2)p(W4/L4)联立可得:n(W2/L2)(W4/L4)2.21011034W=37.68，取6=38p350L68.8.根据尺寸和根据尺寸和 g gm6m6计算计算 I I6 6，并验证，并验证 V Vout,maxout,max是否满足要求是否满足要求I6W6/L638gI420 190AW4/L442I62190106 0.45V6pCox(W/L)6501038M6管的过驱动电压：VOD6VDDVOD650.45 4.55V Vout,max,满足要求9.9.计算计算 M7M7 的尺寸。并验证的尺寸。并验证 V Vout,minout,min是否满足要求是否满足要求由W7I7W5W/LIg，且I7 I6,I666gI4,I45得：L7I5L5W4/L42(W(W6/L6)g(W5/L5)384)719L2W4/L424M7管的过驱动电压：VOD72I72I62190 0.43VnCox(W/L)7nCox(W/L)711019VOD7 0.43V 0.5V Vout,min,满足要求10.10.验证增益和功耗验证增益和功耗gm22nCoxW/L2I22110106320106114.89106A/Vgm62pCoxW/L6I625010638190106 849.71106A/V2gm2gm62114.89106849.7110-6Av=16056.44V/V-6-6I5(23)I6(67)4010 （0.02+0.02）19010 （0.02+0.02）Pdiss=(I5+I6)(VDD+|Vss|)=(4010-6+19010-6)(5+0)=1.15mW2mW满足题设要求。11.SPICE11.SPICE仿真验证仿真验证(1)交流仿真Spice 网表：AN TWO-STAGE OP AMPSM1 2 5 6 0 MOSN w=6u l=2.0uM2 3 4 6 0 MOSN w=6u l=2.0uM3 2 2 1 1 MOSP w=8u l=2.0uM4 3 2 1 1 MOSP w=8u l=2.0uM5 6 7 0 0 MOSN w=8u l=2.0uM6 8 3 1 1 MOSP w=76u l=2.0uM7 8 7 0 0 MOSN w=38u l=2.0uCc 3 83pCl 8 010pVDD 1 0 DC 5VVb7 0 DC 1.15VV1 4 0 DC 1.5V AC 0.0001VV2 5 0 DC 1.5V AC 0.0001V 180.OP.ac DEC 20 1 100Meg.plot ac v(8)/0.0002V).plot ac vp(8).PROBE*model.MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.02 GAMMA=0.2 PHI=0.7.MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U+LAMBDA=0.02 GAMMA=0.2 PHI=0.8.end幅频特性曲线相频特性曲线（2）瞬态仿真Spice 网表：AN TWO-STAGE OP AMPSM1 2 5 6 0 MOSN w=6u l=2.0uM2 3 4 6 0 MOSN w=6u l=2.0uM3 2 2 1 1 MOSP w=8u l=2.0uM4 3 2 1 1 MOSP w=8u l=2.0uM5 6 7 0 0 MOSN w=8u l=2.0uM6 8 3 1 1 MOSP w=76u l=2.0uM7 8 7 0 0 MOSN w=38u l=2.0uCc 3 83pCl 8 010pVDD 1 0 DC 5VVb7 0 DC 1.15VV1 4 5 DC0vsin(0 0.0001v 100KHZ)V2 5 0 DC1.5V.OP.tran 10us 20us.plot tranV(8).plot tranV(4).probe*model.MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.02 GAMMA=0.2 PHI=0.7.MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U+LAMBDA=0.02 GAMMA=0.2 PHI=0.8.end输入信号输出信号分析：交流仿真与瞬态仿真结果与计算所得理论值相符，在计算中所忽略的部分体效应、沟道长度调制效应的影响是造成仿真结果与理论计算产生微小偏差的原因。讨论问题：如果要求讨论问题：如果要求AvAv至少提高为原来的至少提高为原来的2 2倍，其它要求不变，如何修改电路（注意讨论对其它性能倍，其它要求不变，如何修改电路（注意讨论对其它性能参数的影响）？参数的影响）？由Av2gm2gm6,gm22nCox(W/L)2I2,gm62pCox(W/L)6I6可得：I5(23)I6(67)要提高Av可适当增大M2、M3或M6、M7管的有效沟道长度从而降低其沟道长度调制系数，同时适当增大M6管的宽长比(W/L)6也可以达到提高增益的效果，不过同时要保证能够满足Vout,max、Vout,min以及功耗的要求，调整I5或M2管的尺寸则需对更多的参数进行调整，计算方法已在前面列出。
