6折叠式共源共栅运算放大器设计实验之欧阳法创编.docx

国家集成电路人才培养基地时间：创作：欧阳法模拟电路高级实验（6）折叠式运算放大器2006-07欧阳法创编2 .仿真环境参数设置.确定spice模型库文件库文件路径是：/cad/smic018_tech/Process_technology/Mixed_Signal /SPICE_model/ms018_vlp6_spe .lib； section 定义为 tt,最后点 Add添 加 库 文 件。图六模型库的建立i) .变量的设置首先，需要导入要设置的变量名进入D函gn Variable中，点击 Variables>Copy From Cellview 导入变量，如下列图所示：欧阳法创编欧阳法创编Status: ReadyStatus: ReadyVirtuoso Analog Design Environment (1)T=27 C Simulator: spectre 3Session Setup AnalysesVariables Outputs Simulation Results ToolsHelpDesignEdit.AnalysesJAC r TRANJ DCLibrary senior-exciseCell simjpucker-SGView schematicCopy From Cellviev/Copy To Cellviev/rgumentsEnableStatus: ReadyDesignLibrarysenior-exciseCellsimjpucker-SGViewschematicEnableArgumentsOutputsAnalysesIT zT Y IT XDesign VariablesName Value1 vdm22 vdjul3 capName/Signal/Expr Value Plot Save March夕Plotting mode: Replace欧阳法创编Virtuoso® Analog Design Environment (9)T=27 C Simulator: spectre 66HelpHelpSession Setup Analyses Variables Outputs Simulation Results Tools欧阳法创编 Editing Design Variables 一一 Virtuoso Analog DesigHelpOK Cancel Apply Apply & Run SimulationSelected VariableSelected VariableTable of Design Variablest妇建珍vdm2Value (Expr) 1.41鼻Add Delete Change Next Gear Findt妇建珍vdm2Value (Expr) 1.41鼻Add Delete Change Next Gear FindName Value1 vdm22 vdml3 cap lpSelected VariableHarrisvdmlValue (Expr)1.413Add Delete Change Next Qear FindCellview VariablesCopy From Copy ToTable of Design VariablesCellview Variables Copy From Copy Tol Editing Design Variables Virtuoso® Analog DesigOK Cancel Apply Apply & Run Simulation图七参量值的设定注意：此处设定参数时，在Design Variables图形框中双击要设置的参量 后，设定其值。设定负载电容的值时，先假定给cap=lpF,后面还要根据题目要求更 改cap的值，以满足单位增益带宽和稳定性的要求。vdml, vdm2 的值是根据输入端的偏置电压值设定的，即初始值vdml=vdm2 = 1.413Vo.设定仿真类型i） . tran （瞬态）分析设定Analyses >Choose,选择tran分析，如下图：设置仿真时间为 Imso欧阳法创编欧阳法创编三Choosing Analyses 一一 Virtuoso Analog DesigOK Cancel Defaults ApplyHelpAnalysis trandeacnoiseJxfsensdcmatchStt)Jpz_spenvlp9psspacpnoisepxfJPSPqpssqpacqpnoiseqpxfqpspTransient AnalysisStop Time 小Accuracy Defaults (errpreset)conservative moderate liberalEnabled Options.图八瞬态仿真设置注意：设定的瞬态仿真时间一般是频率倒数的1 10倍即可，过大可能无 法看出细微图形，太小根本看不到一个周期的情况。此处设的1ms 就是频率的倒数。ii） . DC (直流)分析设定Analyses >Choose,选择de分析，如下图：欧阳法创编欧阳法创编Choosing Analyses 一一 Virtuoso® Analog DesigOK CancelDefaults ApplyHelpAnalysisJtran deJacnoiseJxfsensdcmatchstoJpz-SPenvlppss一一)pac_ pnoiseJpxfPSPqpssJqpacqpnoiseqpxfqpspDC AnalysisSave DC Operating Point Sv/eep VariableJ Temperature Design VariableVariable NameComponent Parameterg . c .rSelect Design VanableModel ParameterSweep Range1 S3 Stop start tf stop 网Center- SpanSweep Type； Step SizeQ QUnear_) Number of Steps图九DC参量设置设置DC参量时，首先，要选择Save DC Operating Point项，此项是 为了保存静态工作点的；然后在Sweep Variable区域选择Design Variable 项，选取变量名称，可以直接输入你所定义的变量名，也可以从下面的 Select Design Variable中选择需要扫描的变量，我们这里扫描差动信号的 直流分量vdmlo在Sweep Range中选择扫描变量的范围，定义起始点为 0V,终止点为3.3V,而且采取线性扫描方式，扫描的步长设为0.01V。 iii）.AC （交流）分析设定Analyses >Choose,选择ac分析，如下图：欧阳法创编欧阳法创编Choosing Analyses 一一 Virtuoso® Analog DesigOKCancelDefaultsApplyHelpAnalysistrailde acnoise_)xfsensdcmatchsWJpzJspenvlppsspacpnoisepxfJPSPqpssqpacqpnoiseqpxfqpspAC AnalysisSweep Variable FrequencyDesign VariableTemperature j Component Parameter Model ParameterSweep Range Start- Stop StartCenter- SpanSweep TypeAutomatic 图十AC参数设置设置AC参数时，只需对频率进行扫描，这里设置扫描范围为10- 300MHZo.设定输出波形点击 Output >to be plotted >Select On Schematic 后，所作的 schematic图形将自动弹出，然后选择需要输出的信号电压或者pin脚电 流，这里我们选择两个输出量Voutl, Vout2为需要输出的信号电压。选 择输出端作为仿真的输出时: 输出端将变为彩色的高亮度线条。4 .仿真及其参量修正以上设置完成后，就可以进行仿真了。仿真的方法有两种，可以通过点击菜单中的Simulation-Netlist and Run进行网表的提取和仿真；第二种方法是通过快捷方式，即图框中右下 角的按钮进行仿真。运行之后会产生网表和运行图形，点击ResultPrintDC Operating Points查看每个mos管的状态，如下列图所示：欧阳法创编欧阳法创编图十一 mos管状态打印根据打印出的mos管状态图中的Vth值，通过V°=VoD+Vth+Vs来修正 偏置电压的值，再进行仿真。在此过程中，由于Mo，Mi，M6, M7, M9 不存在衬偏效应所以他们的阈值电压值的改变可能会小一些，所以先调整 这些管子的偏置电压值比拟合适；而对于M2，M3, M4, M5, M8, Mio 这些mos管而言，都存在衬偏效应，所以他们的值改变的比拟大，需要 不断的修正仿真，直到这些值都基本不变化即可。这样就完全确定了偏置 电压的值。下来要做的工作是考虑所有的mos管是否工作在饱和区，同样是通 过打印mos管的状态来确定的。需要考虑VDs，VGs-Mh才能使mos管工 作在饱和区。图形如下图：19pwr region reversedron typevbs544.6u62.54u10175.51273.5m图十二观察mos管的饱和状态图十二观察mos管的饱和状态从打印的图中观察电压Vds，VGS-Mh的大小，如果不满足Vds'Vgs-欧阳法创编欧阳法创编Vth,那么mos管不饱和，需要通过调节mos管的宽长比来改变它的饱和 状态。只有当所有的mos管都到达饱和时，放大器的增益才能到达最 大。注意：a)在调节mos管的宽长比时，只能在原来的宽长比的基础上对宽 度作适当调整，不能不考虑原来的值，大幅度调整，这样将会和 你的设计完全不符的情况。b)如果当所有的mos管都已到达饱和，但是对于放大器的增益还是不 满足时可以将输出端两端的mos管的宽长同时加大，这样可以 使增益大幅度增加。这是由于当宽长同时加大时，电流、跨导等 量由于宽长比的值没有变化，所以它们的值也不改变。但是由于 长度L增大一倍，使入值减小，从而使这个mos管的输出电阻 增大，输出两端的mos管的宽长同时加大，即M2，M3, M4, M5的宽长同时加大,使输出电阻%2，%3，一增大,从而使 增益加大。| Av|=GmRout=gmlO* gm3ro3( 1*01001)( gm5ro5 I*o7).仿真结果1 . Bode图仿真结果Bode图的仿真需要通过计算机(calculator)来完成。欧阳法创编欧阳法创编Graph Window 27File Edit Graph Axis Trace Marker Zoom Tools Help昌小辨冒田团0 Label |%X, %YYOsOcadencel图十三Bode图幅频特性曲线从上面的Bode图的幅频特性曲线中可以看出在OdB时的频率为 164MHz，即单位增益带宽为164MHz，但从上图可以看出系统稳定性不 是很好，下面我们通过具体的计算看看相位裕度的大小。2 .相位裕度我们一般使用calculator来计算相位裕度的值，如下列图所示：欧阳法创编欧阳法创编CalculatorWindow Tools Memories Const Options HelpJhomeJkkou/simulation/sim_pucker-SG/spectre/schematic/psf tran ac de swept_dc info noise rfFamily 国 Select Mode 画 vf O if45.64851261232327AppendM miClearUndoEvaleexCistEnter789-456X123/0+/-nfnfmin overshoot phaseriseTime rms rmsNoise rnsample settlingTime sin sinhphaseMarginrootslewRatephaseNoises11spectralPowerpsds12sqrtpsdbbs21ssbreals22stddevFilter 岛 Allcadence|图十四相位裕度从上图中可以看出相位裕度的值为45.64度，说明系统是稳定的， 但是可能在输出时会出现振荡，一般要使相位裕度到达60度才能认为系 统是稳定的。所以需要通过修正负载电容的值来优化系统的稳定性。由于 系统的相位裕度和单位增益带宽之间存在着折衷的关系，所以当相位裕度 到达60度时，单位增益带宽必然会下降。当负载电容为2.55pF时，相位 裕度可以到达60度，如下列图所示：欧阳法创编欧阳法创编欧阳法创编欧阳法创编CalculatorWindow Tools Memories Const Options HelpJhome)kkou/simulation/sim_pucker-SG/spectre/schematic4)sftranacde swefrt_dcinfo noiseFamily 画Select Mode 叵j vf O if60.2875764760434Append国illClearUndoEvalgtipnVRInfgumxkfnfminharmonicInovershootharmonicFreqIog10phaseiintegIsbphaseMarginimagIshiftphaseNoiseintmagpsdintegnc_freqpsdbbipnnc_gainreal15Filter 岛Allcadence图十五相位裕度计算出的单位增益带宽为97.7MHz,如下列图所示:欧阳法创编欧阳法创编图十六Bode图的相频特性3 .瞬态仿真结果由于我们是对差动电路进行分析，所以输出需要分析两个输出端的差 动值，需要使用计算器，将两个单端的输出的"an, DC, AC值相减得到 差动电路的tran, DC, AC值。欧阳法创编欧阳法创编图十七 瞬态仿真图形4. AC仿真结果欧阳法创编欧阳法创编lllllinIIIH.1_lllll0111IIIBHIlllllIIIIIIBH£11in IIIIIIMHill1 1iiniaHlllllIKIinIIIIIIM"III-iiiiimIIIIIIMIlliIIIIIKUKJIlliBIIIIIIMi huh iIlliIIIffl 1IlliIIIIIIMIlliIIIlllllllllllllllllllIIIIIMIIIIIIIIIMlllll IIIIIMIIIIIIMlllllIIIIIMIIIV1IIIIIIMIIIIIMlllllIIIIIMi iiiiiaHiIIIIIHHIIIIIIIIIKM uniIllilllllllllllllllIIIIIIWHHIIIIIIMlllllIIIi Him iIlliIIIIIIMIIIHHIIIIIIMlllll二IIIlllnllllllln匚lllllIIIiniiiiiimHillisHillisIIIfflKillinginn1 1IlliIIIIIIMIIIiti 1IIIIIMi min illlllIIIiiinIlliumnlllllhim豳图”祀lllll1 1iiiiiim IIIIIHHIII 11111129 IIIIIHHlllllIIIIIIMIIIIIIIIIMIIIIIIIIBHllllliliumIIIIIIlllllIlliIIIIIHHII"川 1i i min ir1 Illi1 1 II 川 II 11 lllllll i min i i min i欧阳法创编senior-excise sim_pucker-SG schematic : Aug 14 1 8:06:37 20«File Edit Graph Axis Trace Marker Zoom Tools Help绥小群目口田闿0Label AC Response(v"/net019" ?resultsDir"/home/kkou/simulation/sim_pucker-SG/spectre/schematic/psf ?result.252015105.0-5.0Fca(ren?e|欧阳法创编Pzj Label DC Response图十九DC仿真图形rsenior-excise sim_pucker-SG schematic : Aug 14 1 8:06:37 20(File Edit Graph Axis Trace Marker Zoom Tools Helpcadence6.共模电压范围使用Tool>Parameter对参数vdm2进行扫描，确定共模输出范围。要求单端输出都不失真的表现其特性，取扫描范围为1.38V-3.3V,如下 图所示：欧阳法创编欧阳法创编senior-excise 5im_pucker-SG schematic : Aug 1 6 1 6:32:50 20(|File Edit Graph Axis Trace Marker Zoom Tools Help|7zj Label 每c辘冒囹口图二十共模电压范围cadence时间：创作：欧阳法欧阳法创编欧阳法创编1 .设计目的:设计共源共栅运算放大器，使其满足Vdd=3.3V,功率P=10mW,输 出摆幅为1.95V,增益Av80dB。使用SMIC 0. 18um 3. 3V CMOS工艺 3. 3V晶体管模型。学习差动放大器DC扫描、AC、瞬态分析的方法。参数给定：Cox=（£si8o）/tox其中 &i=885*10/2, %=3.9, tox-6.62nm；un=350cm2, up=92.5 cm2o.设计步骤:启动cadence工具在 Terminal 中输入 cds . setupicfb&2 .电路设计按照下列图进行电路设计，运放采用折叠式共源共栅电路。欧阳法创编欧阳法创编“n33”Vin1Vin-2 .Wd136und“nW92uM3 .，p33”1=1,4uw=88.25ul=L4u .w=63.92uw=63y“p33”|=1.4uM4 . “n33”b=2.2l=1,4u=88;25uWp33” "1 = 1,40 . "l=136uvdc=1._JM9 “33,L=1.4ii65Ew=71gnd 788u.gnd V.4fl5=64u "nW l=L4u w=67.3u.gnd.7.gnd. V.Ml33” ,nl=1.4u .的=67.3uM5 . “n33” 日14u . w464u 1，out2gnd V .图一设计图形注意：i).所有的pmos管的衬底都必须接电源；所有nmos管的衬底都必 须接地ii).直接用电压源给出偏置电压。3 .参数计算完成了电路图的基本结构之后，接下来就是给每个元件加入设计量， 这样就需要对各个器件的参数进行分配和计算。从图中的mos管的标号 定义：总的尾电流源pmos管为Mo，Mi； pmos共栅管为M2，M3; nmos 共源共栅管从上到下依次为M4, M5, M6, M7;输入管为M8, Mio;输 入端的尾电流源mos管为M90 pmos管的model name取p33, nmos管为 n33o1)电流的分配由于 VDd=3.3V,功率P=10mW,那么总的电流为IDs= 10mW/3.3V = 3mA0其次两条支路是完全对称的，所以给每条之路分配L5mA的电欧阳法创编欧阳法创编流。而对于折叠电路局部和本身的共源共栅电路局部将每条支路的电流再 次分割，这里我们全部采用平分的方式，即Mo, Mi的电流均为1.5mA； 其余mos管(除外)的电流均为0.75mA,是每条支路的二分之一； 而对于M9的电流值为两个输入支路电流之和，即为1.5mA。2)过驱动电压的分配根据题目的要求，输出摆幅要为1.95V,以此为标准分配过驱动电 压。Mo, Mi获得的电流较大，给他们分配相对较大的过驱动电压，即 Vodo=Vodi=0.4V；而M9管同时流过M8, M.)管的电流，也同样具有较 大的过驱动电压，给它分配过驱动电压为V°d9=0.4V；而对于其他mos管 的过驱动电压的分配考虑pmos管的小 一般小于nmos管的un,所以分配 给pmos管的过驱动电压一般要大于分配给nmos管的过驱动电压，此处 给pmos管分配0.35V过驱动电压，而给nmos管分配0.3V过驱动电压， 恰好使输出摆幅为1.95Vo 3)宽长比确实定通过电流与过驱动电压的关系式确定宽长比，由于所有mos管都必 须工作在饱和区，所以使用饱和区的电流一过驱动电压的关系：Nmos 管：Ids = l/2unCox (W/L) (VGs-Vlh) 2=1 /2un CoxVod2=>(W/L) =( unCox Vod2) /(2 Ids)Pmos 管：Ids= "2upCox (W/L) (VGs-Vth)2= 1/2upCOxVOd2 =>(W/L) =(upCox Vod2) /(2 Ids)根据公式可得所有mos管的宽长比，分别为：(W/L) o-i = 388.62； (W/L) 2-3 = 253.75； (W/L) 4-7 = 91.3；(W/L) 8= (W/L) io=91.3； (W/L) 9=102.7。根据上面求出的宽长比确定宽度和长度。由于使用工艺库，取L = 1.4um (取L的值较大是为了到达大的增益的要求)，同样可以得到各种 W 值 Wo, i = 136*4um, W2, 3 = 88.82Mum, W4, 5, 6, 7 = 63.92*2um, W8, 10 = 63-92*2um, W9=71.88*2umo注意：乘号的意思代表宽度的乘数*倍数，即在multiplier处添加倍数值。4)分配初始偏置电压值mos管阈值电压的初始值由工艺库中给定，pmos管的阈值电压为Vth =0.663V, nmos管的阈值电压为Vth=0.713V,这些值将在仿真过程中 修正。i) . pmos 管 M(), Mi 的过驱动电压为 Vodo = Vodi = 0.4V ,而|V【h| = 0.663V ,那么偏置电压源电压为 Vo = 3.3V ( 0.663V + 0.4V )= 2.237Vo. pmos 管 M2, M3 的过驱动电压为 Vod2 = Vod3 = 0.35V,而|Vh| = 0.663V,那么偏置电压源电压为 Vo = 3.3V (0.663V+0.4 V+0.35V)= 1.887Voii) .nmos 管 M4, M5 的过驱动电压为 VOD4 = VOd5 = 0.3V ,而 Vth = 0.713V,那么偏置电压源电压为 Vo=O.713V+O.3V + 0.3V=L313V。iii) .nmos 管 M6, M7 的过驱动电压为 V0D6 = V0D7 = 0.3V ,而 Vth =欧阳法创编欧阳法创编0.713V,那么偏置电压源电压为 Vo=O.713V+0.3V=L013V。iv) .nmos管Mg, Mio的过驱动电压（输入管的偏置直流电压局部）为Vod8 = Vodio = 0.3V,而 Vlh = 0.713V,那么偏置电压源电压为 Vo = O.713V + 0.3V + 0.4V=1.413Vo.nmos管Mg的过驱动电压为VOd9=0.4V,而Vth=0.713V,那么偏置电 压源电压为Vo=0.7V+0.4V=1.113Vo根据给定的初始的偏置电压给各个偏置电压源加值。4 .生成symbol图形Symbol的生成过成：我们选择在已经制作好的cell view中建立它的 symbol,点击 Design>Create Cell View>from Cell View,这样就直接 从已经建好的cell view的schematic中建立了它的symbol文件。建立的symbol的图形（可以改变图形形状），如下列图所示：图二生成的symbol图形.加入激励对于已经生成symbol的图形，需要给输入端加入激励之后才能够进 行仿真。需要生成一个新的cell view作仿真，此处起名为sim_pucker- SG,易于统一名称。Cell view的生成同上所述，在cell view的设计过程中加入刚刚设计 的折叠式共源共栅放大器作为仿真模型，对其输入端加激励。图形如下列图所不：欧阳法创编欧阳法创编图三 加入激励后的cell view激励加入后需对所加入的电压源的参数作说明。由于设计的放大器是 差动式共源共栅放大器，所以差动电路的输入为两个方向相反的Vsin信 号分别加在输入两端。为了使用方便将Vsin电压源的DC局部设定为参 变量，分别为vdml, vdm2o在仿真的时候再给其赋值，而对于Vsin信 号还需要设定一些AC （交流）分析和tran （瞬态）分析的变量，如下列图 所示：欧阳法创编欧阳法创编图四输入Vsinl电压源设置欧阳法创编欧阳法创编CDF ParameterValue图五输入Vsinl电压源设置负载电容值确实定：对于负载电容值确实定是有要求的，因为题目要求单位增益带宽尽可 能的大，所以在满足了增益的情况下，需要主极点越大越好，只有主极点 越大才能保证单位增益带宽越大。主极点与输出阻抗和负载电容的乘积的 倒数有关，而输出阻抗的值影响增益的大小，如果输出阻抗越大，那么增益 越大，但是主极点越小，从而使单位增益带宽越小，所以只有在增益一定 的情况下改变负载电容的值来增加单位增益带宽。从上面的表达可知，电容的值是一个根据要求而变化的值，所以我们 把电容值设为一个参数cap,在仿真过程中再添加其值。这样只是为了方 便更改而已，你也可以直接对负载电容赋值，在仿真时，再根据情况更改 电容值。负载电容的值设为参变量cap,在仿真过程中给定值。注意：在作仿真图形时，还需要有一个用来规定电源电压值的电路，这 是为了防止多个电路中有多个电源电压的情况，这样只需设定一个 电源电压来规定电源电压的值，而不会发生冲突。3 .仿真过程1.仿真环境的建立在设置完图形变量之后，就可以对图形进行仿真了。点击Tools>Analog Environment 进入仿真环境。欧阳法创编