模拟CMOS集成电路设计大作业.pdf

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1、模拟模拟 CMOSCMOS 集成电路设计大作业集成电路设计大作业设计题：设计题：假定假定 n nC Coxox=110=110 A/VA/V2 2，p pC Coxox=50=50 A/VA/V2 2，n n0.04V0.04V-1-1，p p0.04V0.04V-1-1（有效沟道长度为（有效沟道长度为1 1 mm时），时），n n0.02V0.02V-1-1，p p0.02V0.02V-1-1（有效沟道长度为（有效沟道长度为2 2 mm时），时），n n0.01V0.01V-1-1，p p0.01V0.01V-1-1（有效沟道（有效沟道长度为长度为4 4 mm时）时），=0.2=0.2，V

2、VTHNTHN|V|VTHPTHP|=0.7V|=0.7V。设计如下图的放大器，设计如下图的放大器，满足如下要求，其中负载电容满足如下要求，其中负载电容C CL L=5pF=5pF。A Av v 5000V/V 5000V/V，VDDVDD=5V=5V，GBGB 5MHz 5MHz，SRSR 10V/10V/s s，6060 相位相位裕度，裕度，VoutVout 摆幅在摆幅在0.54.5V0.54.5V范围范围,ICMRICMR为为1.54.5V1.54.5V，PdisPdiss s2mW2mW1.1.请说明详细的设计过程，请说明详细的设计过程，包括公式表达式包括公式表达式（假定（假定CoxC

3、ox=0.35fF/=0.35fF/mm2 2，栅栅源电容按源电容按Cgs3 0.67W3L3Cox计算）计算）；2.2.给出进行交流仿真和瞬态仿真的给出进行交流仿真和瞬态仿真的spicespice仿真的网表，并给出仿真波形和仿真的网表，并给出仿真波形和结果以及必要的讨论和说明。结果以及必要的讨论和说明。3.3.如果要求如果要求A Av v至少提高为原来的至少提高为原来的2 2倍，倍，其它要求不变，其它要求不变，如何修改电路如何修改电路（注（注意讨论对其它性能参数的影响）？意讨论对其它性能参数的影响）？4.4.如果要求增益带宽积如果要求增益带宽积GBGB提高为原来的提高为原来的2 2倍，其它要

4、求不变，如何修改倍，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）？电路（注意讨论对其它性能参数的影响）？注意事项：注意事项：1.1.计算得到的极点频率为角频率。计算得到的极点频率为角频率。2.2.尺寸最后应选取整数，工艺精度的限制。尺寸最后应选取整数，工艺精度的限制。3.3.尾电流增加，尾电流增加，A Av v增加还是减小？增加还是减小？一一.设计过程：设计过程：0.0.确定正确的电路偏置，保证所有晶体管处于饱和区。为保证良好的确定正确的电路偏置，保证所有晶体管处于饱和区。为保证良好的电流镜，并确保电流镜，并确保M4M4处于饱和区。处于饱和区。（Sx=Wx/Lx）由由I6=I7I

5、6=I7得得S62S7S4S51.1.根据需要的根据需要的PMPM60deg60deg求求CcCc（假定（假定wz10GB10GB）cc 0.22cL2.2.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）的范围；范围；3.3.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，即饱和区条件；（或输出摆幅）要求，即饱和区条件；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10GB1

6、0GB；5.5.设计设计W1/L1W1/L1（W2/L2W2/L2）满足）满足GBGB的要求的要求;6.6.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；7.7.根据根据 Wp22.2GBWp22.2GB 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计计算得到算得到M6M6的尺寸；的尺寸；8.8.根据尺寸和根据尺寸和gm6gm6计算计算I6I6，并验证，并验证Vout,maxVout,max是否满足要求；是否满足要求；9.9.计算计算M7M7的尺寸。并验证的尺寸。并验证Vout,minVo

7、ut,min是否满足要求；是否满足要求；10.10.验证增益和功耗验证增益和功耗;11.11.若增益不满要求，降低若增益不满要求，降低I5I5和和I6I6或提高或提高M2M2、M6M6尺寸等措施，但重复以尺寸等措施，但重复以上步骤进行验证。上步骤进行验证。12.SPICE12.SPICE仿真验证仿真验证二，二，交流仿真和瞬态仿真的交流仿真和瞬态仿真的spicespice仿真的网表以及仿真波形和结果。仿真的网表以及仿真波形和结果。仿真验证：仿真验证：仿真电路图及结点示意图：仿真电路图及结点示意图：PSPICEPSPICE 仿真仿真：直流仿真：直流仿真：*Two-stage OP Amps DC

8、Analysis*Two-stage OP Amps DC AnalysisM1 5 4 2 0 MOSN W=2u L=1uM1 5 4 2 0 MOSN W=2u L=1uM2 6 4 2 0 MOSN W=2u L=1uM2 6 4 2 0 MOSN W=2u L=1uM3 5 5 8 8 MOSP W=1u L=1uM3 5 5 8 8 MOSP W=1u L=1uM4 6 5 8 8 MOSP W=1u L=1uM4 6 5 8 8 MOSP W=1u L=1uM5 2 1 0 0 MOSN W=1u L=1uM5 2 1 0 0 MOSN W=1u L=1uM6 7 6 8 8 M

9、OSP W=20u L=1uM6 7 6 8 8 MOSP W=20u L=1uM7 7 1 0 0 MOSN W=10u L=1uM7 7 1 0 0 MOSN W=10u L=1uM8 1 1 0 0 MOSN W=3u L=1uM8 1 1 0 0 MOSN W=3u L=1uCC 7 6 1.2pCC 7 6 1.2pCL 7 0 5pCL 7 0 5pIREF 8 1 DC 12.5uIREF 8 1 DC 12.5uVDD 8 0 DC 5VDD 8 0 DC 5VIN1 4 3 DC 3VIN1 4 3 DC 3*VIN2 3 0 DC 3*VIN2 3 0 DC 3.OP.OP

10、.dc VIN1 1.5 4.5 0.1.dc VIN1 1.5 4.5 0.1.plot dc V(7).plot dc V(7)*MODEL*MODEL.MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U LAMBDA=0.04 GAMMA=0.2.MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U LAMBDA=0.04 GAMMA=0.2.MODEL MOSN1 NMOS VTO=0.7 KP=110U LAMBDA=0.02 GAMMA=0.2.MODEL MOSN1 NMOS VTO=0.7 KP=110U LAMBDA=0.02 GAMMA=0.2.MOD

11、EL MOSN2 NMOS VTO=0.7 KP=110U LAMBDA=0.01GAMMA=0.2.MODEL MOSN2 NMOS VTO=0.7 KP=110U LAMBDA=0.01GAMMA=0.2.MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U LAMBDA=0.04 GAMMA=0.2.MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U LAMBDA=0.04 GAMMA=0.2.MODEL MOSP1 PMOS VTO=-0.7 KP=50U LAMBDA=0.02 GAMMA=0.2.MODEL MOSP1 PMOS VTO=-0.7 KP=50U

12、 LAMBDA=0.02 GAMMA=0.2.MODEL MOSN2 PMOS VTO=0.7 KP=50U LAMBDA=0.01 GAMMA=0.2.MODEL MOSN2 PMOS VTO=0.7 KP=50U LAMBDA=0.01 GAMMA=0.2.END.END仿真结果：仿真结果：交流仿真：交流仿真：*Two-stage OP Amps AC Analysis*Two-stage OP Amps AC AnalysisM1 5 3 2 0 MOSN W=2u L=1uM1 5 3 2 0 MOSN W=2u L=1uM2 6 4 2 0 MOSN W=2u L=1uM2 6 4

13、2 0 MOSN W=2u L=1uM3 5 5 8 8 MOSP W=1u L=1uM3 5 5 8 8 MOSP W=1u L=1uM4 6 5 8 8 MOSP W=1u L=1uM4 6 5 8 8 MOSP W=1u L=1uM5 2 1 0 0 MOSN W=1u L=1uM5 2 1 0 0 MOSN W=1u L=1uM6 7 6 8 8 MOSP W=20u L=1uM6 7 6 8 8 MOSP W=20u L=1uM7 7 1 0 0 MOSN W=10u L=1uM7 7 1 0 0 MOSN W=10u L=1uM8 1 1 0 0 MOSN W=3u L=1uM8

14、1 1 0 0 MOSN W=3u L=1uCC 7 6 1.2pCC 7 6 1.2pCL 7 0 5pCL 7 0 5pIREF 8 1 DC 12.5uIREF 8 1 DC 12.5uVDD 8 0 DC 5VDD 8 0 DC 5VIN1 4 0 DC 2.6VIN1 4 0 DC 2.6VIN2 3 4 AC 30uVIN2 3 4 AC 30u.OP.OP.AC DEC 20 1 1GHZ.AC DEC 20 1 1GHZ.PLOT AC DB(V(7)/30u)VP(7).PLOT AC DB(V(7)/30u)VP(7).PROBE.PROBE*MODEL*MODEL.MOD

15、EL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U LAMBDA=0.04 GAMMA=0.2.MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U LAMBDA=0.04 GAMMA=0.2.MODEL MOSN1 NMOS VTO=0.7 KP=110U LAMBDA=0.02 GAMMA=0.2.MODEL MOSN1 NMOS VTO=0.7 KP=110U LAMBDA=0.02 GAMMA=0.2.MODEL MOSN2 NMOS VTO=0.7 KP=110U LAMBDA=0.01GAMMA=0.2.MODEL MOSN2 NMOS VTO=0.7 KP=110

16、U LAMBDA=0.01GAMMA=0.2.MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U LAMBDA=0.04 GAMMA=0.2.MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U LAMBDA=0.04 GAMMA=0.2.MODEL MOSP1 PMOS VTO=-0.7 KP=50U LAMBDA=0.02 GAMMA=0.2.MODEL MOSP1 PMOS VTO=-0.7 KP=50U LAMBDA=0.02 GAMMA=0.2.MODEL MOSN2 PMOS VTO=0.7 KP=50U LAMBDA=0.01GAMMA=0.2.MODEL

17、MOSN2 PMOS VTO=0.7 KP=50U LAMBDA=0.01GAMMA=0.2.END.END仿真结果：仿真结果：输入信号为输入信号为 12.512.5A A，图中直接体现的是放大倍数。，图中直接体现的是放大倍数。从图中可以看出，相位裕度为从图中可以看出，相位裕度为6060符合要求。符合要求。瞬态仿真瞬态仿真*Two-stage OP Amps TRAN Analysis*Two-stage OP Amps TRAN AnalysisM1 5 3 2 0 MOSN W=2u L=1uM1 5 3 2 0 MOSN W=2u L=1uM2 6 4 2 0 MOSN W=2u L=1

18、uM2 6 4 2 0 MOSN W=2u L=1uM3 5 5 8 8 MOSP W=1u L=1uM3 5 5 8 8 MOSP W=1u L=1uM4 6 5 8 8 MOSP W=1u L=1uM4 6 5 8 8 MOSP W=1u L=1uM5 2 1 0 0 MOSN W=1u L=1uM5 2 1 0 0 MOSN W=1u L=1uM6 7 6 8 8 MOSP W=20u L=1uM6 7 6 8 8 MOSP W=20u L=1uM7 7 1 0 0 MOSN W=10u L=1uM7 7 1 0 0 MOSN W=10u L=1uM8 1 1 0 0 MOSN W=3u

19、 L=1uM8 1 1 0 0 MOSN W=3u L=1uCC 7 6 1pCC 7 6 1pCL 7 0 5pCL 7 0 5pIREF 8 1 DC 12.5uIREF 8 1 DC 12.5uVDD 8 0 DC 5VDD 8 0 DC 5VIN1 4 0 DC 2.6VIN1 4 0 DC 2.6VIN2 3 4 sin(0 30u 100Hz 1ns 0)VIN2 3 4 sin(0 30u 100Hz 1ns 0).OP.OP.TRAN.TRAN1u 100000u1u 100000u.PLOT tran V(7)V(3).PLOT tran V(7)V(3).PROBE.PRO

20、BE*MODEL*MODEL.MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U LAMBDA=0.04 GAMMA=0.2.MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U LAMBDA=0.04 GAMMA=0.2.MODEL MOSN1 NMOS VTO=0.7 KP=110U LAMBDA=0.02GAMMA=0.2.MODEL MOSN1 NMOS VTO=0.7 KP=110U LAMBDA=0.02GAMMA=0.2.MODEL MOSN2 NMOS VTO=0.7 KP=110U LAMBDA=0.01GAMMA=0.2.MODEL MOSN2 NMO

21、S VTO=0.7 KP=110U LAMBDA=0.01GAMMA=0.2.MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U LAMBDA=0.04 GAMMA=0.2.MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U LAMBDA=0.04 GAMMA=0.2.MODEL MOSP1 PMOS VTO=-0.7 KP=50U LAMBDA=0.02 GAMMA=0.2.MODEL MOSP1 PMOS VTO=-0.7 KP=50U LAMBDA=0.02 GAMMA=0.2.MODEL MOSN2 PMOS VTO=0.7 KP=50U LAMBDA=0.01

22、GAMMA=0.2.MODEL MOSN2 PMOS VTO=0.7 KP=50U LAMBDA=0.01GAMMA=0.2.END.END仿真结果：仿真结果：放大倍数也符合。放大倍数也符合。三如果要求三如果要求A Av v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）？（注意讨论对其它性能参数的影响）？使使Av提高为原来的两倍，首先由增益公式得提高为原来的两倍，首先由增益公式得Au 2gm2gm6/I5(23)I6(67)gm2gm6/I2(23)I6(67)1/VOD2VOD4(23)(67)1/2I6/(

23、pCOXS6)2I2/(nCOXS2)COX223npS2S6I2I6通过增益的表达式可知，可以通过降低通过增益的表达式可知，可以通过降低错误！未找到引用源。、错误！未找到引用源。，或者增大，或者增大 MM1 1（MM2 2）、MM6 6的尺寸。的尺寸。如果如果 MM1 1、MM6 6尺寸增大为原来的两倍，尺寸增大为原来的两倍，I I2 2和和 I I6 6保持不变，则保持不变，则由由GB AV(0)p1 gm1/CC可知增益带宽积就会增大，可知增益带宽积就会增大，gm12I1nCOX(W/L)1增大，增大，但由于增益增大倍数大，所以但由于增益增大倍数大，所以p1减小。减小。由由I6 gm6/

24、(2K6S6)可可错误！未找到引用源。知知错误！未找到引用源。将会增大，将会增大，VOD62I6/(pCOX(W/L)6)减小，减小，VOUT,MAXVDDVOD6增大，满足要求。由于增大，满足要求。由于I6 S6I4/S4，所以，所以S4也应该增大为原来的两也应该增大为原来的两倍，倍，VOD42I4/pCOX(W/L)4减小，即减小，即VGS3减小。减小。满足要求。满足要求。四如果要求增益带宽积四如果要求增益带宽积GBGB 提高为原来的提高为原来的2 2倍，其它要求不变，如何修倍，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）？改电路（注意讨论对其它性能参数的影响）？注意事项：注意事项：尾电流增加，各个器件尺寸不变的话，尾电流增加，各个器件尺寸不变的话，I I3 3和和 I I1 1增加，增加，g gm3m3和和 g gm1m1增大，但增大增大，但增大倍数小，倍数小，g gm6m6增大，增大，I I6 6增大，最终可由下面的公式推出，放大倍数下降。增大，最终可由下面的公式推出，放大倍数下降。Au 2gm2gm6/I5(23)I6(67)gm2gm6/I2(23)I6(67)1/VOD2VOD4(23)(67)1/2I6/(pCOXS6)2I2/(nCOXS2)COX223npS2S6I2I6