1、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
2、指标：1.供电电压： V 3.3 0 2.输入信号：正弦差分信号3.共模电压范围为 1V4.差分模值范围 1 100 5输出信号：正弦信号6.摆率大于 10/(=5)27. 带宽大于 3d 100(=5)8.幅值增益： 40d9.相位裕度： 6010.功耗： 111.工作温度： 085四、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:2210.511.2 M4 管的饱和条件:4444+2.小信号分析小信号模型如下：由图可得：2 1 增益分析3=1311+311221122=其中 1=2=,1=1|3=2|4= 2+4=(111)
3、12(2+4)(/2)= 22+4(111)1/22.2 频率响应分析由小信号模型易知：12+4其中 =2+4+2+3电路参数计算31 确定电流根据摆率指标： 10/(=5)=50根据功耗指标易知： 250 根据带宽指标： 3100(=5)3=1 318= 2(+)70综上，取: =2003.2 宽长比的确定M4 与 M5：电流源提供的电流为 ，参数设为 ，根据电流镜原50 4=1,4=2理，可以算出 5=1,8=8M2 与 M3：100=1= 12+44带入数据可得 22=33=18.4取值为 20，则取 =360, =7.2M0 与 M1：这两个 PMOS 管对交流性能影响不大，只要使其下
4、方的管子正常开启即可，实验中取值： 0=1=360 0=1=1五、仿真结果1、幅频特性设置激励如下：信号名称 信号类型 参数VDD 直流 V=3.3VGND 直流 V=0V幅值 1mV,频率 50KHzVin+ 交流小信号直流电压 1.65V,初相 0幅值 1mV,频率 50KHzVin- 交流小信号电压 1.65V,初相 180进行 ac 仿真，仿真结果如下：增益 ， ，相位裕度为 ，满足指标要求。=41.66d 3=189.5 89.912、摆率仿真通过加入方波激励进行测试摆率信号名称 信号类型 参数VDD 直流 V=3.3VGND 直流 V=0VV1=0V,V2=3.3VVin+ 方波周
5、期 2 ,占空比 50%5V1=3.3V,V2=0VVin- 方波周期 2 ,占空比 50%仿真结果如下：得到： 满足指标要求。=3.2860.198=18.82106/3、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 ， ，相位裕度为 ，满足指标要求。=42.42d 3=108.7 89.913.2 直流工作点 2.15V 时，仿真结果如下6增益 ， ，相位裕度为 ，满足指标要求。=40.99d 3=171.7 89.944、差分模值范围将输入信号按如下表格设置:信号名
6、称 信号类型 参数VDD 直流 V=3.3VGND 直流 V=0V幅值 100mV,频率 50KHzVin+ 交流小信号直流电压 1.65V,初相 0幅值 100mV,频率 50KHzVin- 交流小信号电压 1.65V,初相 180仿真结果如下：7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。8提取 RCX 如下：七、后仿结果1、幅频特性设
7、置激励如下：信号名称 信号类型 参数VDD 直流 V=3.3VGND 直流 V=0V幅值 1mV,频率 50KHzVin+ 交流小信号直流电压 1.65V,初相 0Vin- 交流小信号 幅值 1mV,频率 50KHz9电压 1.65V,初相 180进行 ac 仿真，仿真结果如下：增益 ， ，相位裕度为 ，满足指标要求。=41.66d 3=189.5 89.982、摆率仿真通过加入方波激励进行测试摆率信号名称 信号类型 参数VDD 直流 V=3.3VGND 直流 V=0VV1=0V,V2=3.3VVin+ 方波周期 2 ,占空比 50%V1=3.3V,V2=0VVin- 方波周期 2 ,占空比
8、50%仿真结果如下：10得到： 满足指标要求。=3.30.209=15.79106/3、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 ， ，相位裕度为 ，满足指标要求。=43.1d 3=144.5 90.023.2 直流工作点 2.15V 时，仿真结果如下增益 ， ，相位裕度为 ，满足指标要求。=40.23d 3=294.8 89.723.3 差分模值范围将输入信号按如下表格设置：11信号名称 信号类型 参数VDD 直流 V=3.3VGND 直流 V=0V幅值 100mV,频率 50KHzVin+ 交流小信号直流电压 1.65V,初相 0幅值 100mV,频率 50KHzVin- 交流小信号电压 1.65V,初相 180仿真结果如下：增益 ， ，相位裕度为 ，满足指标要求。=41.8d 3=244.3 89.5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。
