CMOS放大器设计实验报告
一、实验目的
1.培养学生分析、解决问题的综合能力；
2.熟悉计算机进行集成电路辅助设计的流程；
3.学会适应cadence设计工具；
4.掌握模拟电路仿真方法
6.掌握电子电路、电子芯片底层版图设计原则和方法；
7.掌握使用计算机对电路、电子器件进行参数提取及功能模拟的过程；
8.熟悉设计验证流程和方法。
二、实验原理
单级差分放大器结构如下图所示：
在电路结构中，M2和M3组成了NMOS差分输入对，差分输入与单端输入相比可以有效抑制共模信号干扰；M0和M1电流镜为有源负载，可将差分输入转化为单端输出；M5管提供恒定的偏置电流。
三、实验要求
设计电路使得其达到以下指标：
1.供电电压：VDD 3.3V GND 0V
2.输入信号：正弦差分信号
3.共模电压范围为1V
4.差分模值范围1 mV ~100 mV
5．输出信号：正弦信号
6.摆率大于10V/μs(C L=5pF)
7.−3dB带宽大于100KHz(C L=5pF)
8.幅值增益：40dB
9.相位裕度：≥60°
10.功耗：≤1mW
11.工作温度：0℃~85℃
四、差分放大器分析
1、直流分析
为了使电路正常工作，电路中的MOS管都应处于饱和状态。
1.1 M2管的饱和条件:
V DS2≥V GS2−V TN
V OUT−V S1≥V IC−0.5V ID−V S1−V TN
V OUT≥V IC−V TN
1.2 M4管的饱和条件:
V SD4≥V SG4−V TP
V DD−V OUT≥V SG4−V TP
V OUT≤V DD−V SG4+V TP
2.小信号分析
小信号模型如下：
由图可得：
2．1 增益分析
i out =
g m1g m3r p1
1+g m3r p1v gs1
−g m2v gs2
≈g m1v gs1−g m2v gs2=g md v id
其中
g m1=g m2=g md ,r p1=r ds1||r ds3
C =r ds2||r ds4 A V =V OUT V I
D =g md
g ds2+g ds4
A V =V OUT V ID =(K 1I SS W 1L 1⁄)12⁄(λ2+λ4)(I SS /2)=2λ2+λ4(K 1W 1I SS L 1
)1/2
2.2 频率响应分析
由小信号模型易知：
ω1≈
g ds2+g ds4
C
其中
C =C BD2+C BD4+C GB2+C L
3．电路参数计算 3．1确定电流
根据摆率指标：
SR ≥10V/μs(C L =5pF)
SR =I SS C L ⁄ I SS ≥50μA
根据功耗指标易知：
I SS ≤250μA
根据带宽指标：
f −3dB ≥100KHz(C L =5pF )
ω−3dB =1R OUT C L ⁄ R OUT ≤318KΩ
R OUT =2
(λN +λP )I S S
I SS ≥70μA
综上，取:
I SS =200μA
3.2宽长比的确定
M4与M5：电流源提供的电流为50μA ，参数设为L 4=1μM,W 4=2μM ，根据电流镜原理，可以算出L 5=1μM,W 8=8μM
M2与M3：
100=g m1R OUT =
g m1
g ds2+g ds4
带入数据可得
W 2L 2=W 3
L 3
=18.4 取值为20，则取L =360n,W =7.2u
M0与M1：这两个PMOS 管对交流性能影响不大，只要使其下方的管子正常开启即可，
实验中取值：
L0=L1=360nM W0=W1=1μM
五、仿真结果
1、幅频特性
设置激励如下：
进行ac仿真，仿真结果如下：
增益AV=41.66dB，f−3dB=189.5KHz，相位裕度为89.91°，满足指标要求。
2、摆率仿真
仿真结果如下：
得到：SR=3.286V
0.198μs
=18.82×106V/s满足指标要求。
3、共模电压范围仿真
为了测试共模电压范围，我们调整直流工作点分别在直流工作点为1.15V和2.15V是进行仿真。
3.1 直流工作点1.15V时，仿真结果如下
增益AV=42.42dB，f−3dB=108.7KHz，相位裕度为89.91°，满足指标要求。
3.2 直流工作点2.15V时，仿真结果如下
增益AV=40.99dB，f−3dB=171.7KHz，相位裕度为89.94°，满足指标要求。
4、差分模值范围
可以看到，放大器性能没有发生大的变化，满足要求
以上所有仿真中功率都明显小于1mw；综上，放大器大的所有指标在前仿中满足要求。
六、版图的绘制
由电路图绘制版图如下：
由于电容所占面积较大，考虑电容时版图如下：
版图绘制完成后，通过DRC检查，以及LVS验证，然后进行RCX参数提取，而后进行后仿。
提取RCX如下：
七、后仿结果
1、幅频特性
设置激励如下：
进行ac仿真，仿真结果如下：
增益AV=41.66dB，f−3dB=189.5KHz，相位裕度为89.98°，满足指标要求。
2、摆率仿真
通过加入方波激励进行测试摆率
仿真结果如下：
得到：SR=
3.3V
0.209μs
=15.79×106V/s满足指标要求。
3、共模电压范围仿真
为了测试共模电压范围，我们调整直流工作点分别在直流工作点为1.15V和2.15V是进行仿真。
3.1直流工作点1.15V时，仿真结果如下
增益AV=43.1dB，f−3dB=144.5KHz，相位裕度为90.02°，满足指标要求。
3.2 直流工作点2.15V时，仿真结果如下
增益AV=40.23dB，f−3dB=294.8Hz，相位裕度为89.72°，满足指标要求。
3.3差分模值范围
将输入信号按如下表格设置：
增益AV=41.8dB，f−3dB=244.3KHz，相位裕度为89.5°，满足指标要求。
综上，放大器在后仿中也满足指标要求。
八、总结
通过使用cadence软件设计仿真CMOS放大器，让我熟悉了使用计算机进行集成电路辅助设计的流程；在调节电路参数时有复习巩固了CMOS放大器的相关知识，受益匪浅。
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