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 =54A ，试调整各个管的参数，使该运放的放大倍数A V =inip noutv 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totalLI C GBW FOM •=>0.422，可先参照一个样板仿真文件ota.sp 和C LB : 1 1 : Bota_test.sp ，然后自己调整；（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12-1-1参数分析•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 =444EP o d V Lr I =B= (W 3/L 3)/(W 2/L 2)则43432233111//)/(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12d 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 totalFOM 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=1.0386pI bias=54uAI total =254.4705uA V0 =62.111f d=1.1952MHzPM =70.629>65GBW=A V0 f d=62.111*1.7832=110.76>60total LI CGBW 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22.2.1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 VenL0.9202.5922.232-8.21250.95236.7627.735-7.58651.0272.5634.357-6.9332 Avg-7.5774VenL＝-7.57743.2.2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NmosVds/V Ids/uA Slope/u VepL-0.9-23.130.9073124.5929-0.95-28.5560.6895840.4607-1.0-34.4910.5156865.8845 Avg-28.72643.6460VepL=43.64602-2-3 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/VM3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 =1.0386p2))(/(21th gs ox d V V L W C I -=μ得到f d =1/(2π*R out *C L )=1.9098MHz由out m V BR g A 10得到Av =61.5292-2-4 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模型，忽略了很多二阶效应，计算模型简略导致1m g 的计算产生误差。

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 gf 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32-3-1仿真结果2-3-2相关参数2-3-3 计算参数C=1.0386pFLI bias=13uAA V0 =70.009f d=1.4924MHzPM =65.409>65GBW=70.009*65.409=104.4814MHz>100MHzI= 88.3776uAtotalFOM =*LtotalGBW 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 otaA 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 otar1 ndd nd 1k* the equivalent load capacitance cl nout nss cl************ sources ************* dc sourcesvdd ndd 0 1.8vss nss 0 0vg 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 otaA 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 otar1 ndd nd 1k* the equivalent load capacitance cl nout nss cl************ sources ************* dc sourcesvdd ndd 0 -1.8vss nss 0 0vg 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())(/(212gs 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 LV r I L V r r r R I L W C g ====μV ds-V E L(or -1/λ) dE d ds ds ds ds o E I L V I V I I V r LV ===∂∂=∂∂==λλ1/11Lm d V Lout d out m V C B g f A GBW C R f BR g A ππ2211010====。