1、模擬集成電路課程設(shè)計(jì)精品資料模擬集成電路課程設(shè)計(jì)CMOS兩級(jí)運(yùn)放設(shè)計(jì)一、 摘要本課程設(shè)計(jì)要求完成一個(gè)兩級(jí)運(yùn)放的設(shè)計(jì)，采用設(shè)計(jì)工藝為CMOS的0.35um工藝技術(shù)，該工藝下器件可以等效為長(zhǎng)溝道器件，在分析計(jì)算時(shí)可采用 一級(jí)模型進(jìn)行計(jì)算。本次設(shè)計(jì)主要了對(duì)于共模輸入電壓等指標(biāo)提出了要求，詳 見(jiàn)下表。在正文中將就如何滿足這些指標(biāo)進(jìn)行分析與討論，并將計(jì)算結(jié)果利用 cade nee進(jìn)行仿真，得出在0.35um工藝電路的工作情況輕模楡入電莊固宅在（血。+ V5s/2開(kāi)環(huán)點(diǎn)流増益>60 dB單住増盛帶寬2 30 MHz相位裕度> 60 degree轉(zhuǎn)換連率 1a 30 V/ps負(fù)載電容=3 pF申

2、*態(tài)功耗（電茫）< 1 mA電路分析課程設(shè)計(jì)的電路圖如下:VOUT論s輸入級(jí)（第一級(jí)）放大電路由 M1-M5組成，其中M1與M2為NMOS差分 輸入對(duì)管，M3與M4為PMOS有源負(fù)載，M5為第一級(jí)提供恒定的偏置電流。輸出級(jí)（第二級(jí)）放大電路由 M6、M7以及跨接在M6柵漏兩端（即第二 級(jí)電路輸入與輸出兩端）的電容 Cc組成，其中PMOS管M6為共源極接法，用 于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大，而 M7與M5功能相同，為第二級(jí)提供恒定的偏置電流， 同時(shí)M7還作為第二級(jí)的輸出負(fù)載。Cc將用于實(shí)現(xiàn)第二級(jí)電路的密勒補(bǔ)償，改 變Cc的值可以用于實(shí)現(xiàn)電路中主極點(diǎn)與非主極點(diǎn)分離等功能。偏置電路由恒流源IB和以二極管形

3、式連接的M8組成，其中M8與M5， M7形成電流鏡，M5和M7為相應(yīng)電路提供電流的大小由其與 M8的寬長(zhǎng)比的 比值來(lái)決定。設(shè)計(jì)指標(biāo)本模塊將根據(jù)設(shè)計(jì)要求的指標(biāo)逐一進(jìn)行分析：開(kāi)環(huán)直流增益：考慮直流增益時(shí)忽略所有電容的影響，畫(huà)小信號(hào)圖如下:人=-gmlt0X48rn6ro7式中g(shù)4 = Sllg知=311咖，考慮到差分輸入對(duì)管的一致性，故 （W/L）j （W/L），從而8ml - 8m2，故上述表達(dá)式中用弘"代為表示。同時(shí)，考慮到下式：21環(huán)=% -畑以及表達(dá)式：1 VeLg =亓二 y從而可以將直流增益表達(dá)式表述為:4AnAnApApAv =、7僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪除 謝

4、謝7同時(shí)可以將 用；替換，可以得出增益的大小在設(shè)計(jì)時(shí)只與 M0S管的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓和溝道長(zhǎng)度有關(guān)，當(dāng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓確定時(shí)（一般選取0.2V），則需要通 過(guò)增加溝道長(zhǎng)度L來(lái)提高增益。由于對(duì)于0.35um的工藝庫(kù)并不熟悉，可以通過(guò)對(duì)單管進(jìn)行de仿真，得到 所需的厄利電壓等參數(shù)，但在實(shí)際應(yīng)用中并不需要，主要做法是根據(jù)計(jì)算得到 的電路偏置電流，通過(guò)確定的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行單管仿真得到合適寬長(zhǎng)比的工作 在飽和區(qū)的M0S管。單位增益帶寬（GBW）:分析GBW時(shí)需要考慮電路在高頻條件下的工作情況，小信號(hào)圖如下:inGm1*V（C|.為5站、Sip以及Cl之和，4】同理）上圖中忽略了 M3點(diǎn)產(chǎn)生的極點(diǎn)，原因有兩個(gè)：1.

5、M3點(diǎn)產(chǎn)生的極點(diǎn)大小為gllLj£1113丄忒孤訂+匚仏】），約等于2n（4C），在GBW之外；2.由于小信號(hào)電流經(jīng)過(guò) M1再經(jīng)過(guò)M3， M4電流鏡與直接經(jīng)過(guò)M2到達(dá)輸出的電流兩者之間為相加形式， 即產(chǎn)生了一個(gè)前饋通路，從而將引入一個(gè)零點(diǎn)，又由于兩條通路的放大倍數(shù)一 致，從而引入的零點(diǎn)為極點(diǎn)的兩倍。弓I入的零點(diǎn)將對(duì)極點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)一步削 弱了極點(diǎn)對(duì)增益以及相位裕度的影響，從而對(duì)于 M3點(diǎn)的極點(diǎn)可以忽略。對(duì)于上圖中的情況進(jìn)行分析可得到有極點(diǎn)：Pi=-同時(shí)還存在一個(gè)零點(diǎn)為:由于4>gm6,所以主極點(diǎn)為P1，從而得到gmlGBW = Avp!=同時(shí)考慮到相位裕度的要求，由于負(fù)極點(diǎn)以及

6、正零點(diǎn)均會(huì)是相位惡化，對(duì) 于雙極點(diǎn)系統(tǒng)，通常要求：Pz > 2GBW（對(duì)于本課程設(shè)計(jì)考慮到有正零點(diǎn)介入，將在電路設(shè)計(jì)中具體分析。）所以對(duì)于零點(diǎn)越遠(yuǎn)，其與 GBW的關(guān)系基本由肪訂和必麗的比值決定，陽(yáng)血越 大越好；對(duì)于非主極點(diǎn)，從表達(dá)式中可以看出Cc越大，GBW越小（ 越小）， 越大，可視為實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)極點(diǎn)的分離?？梢越普J(rèn)為需要滿足以下要 求：當(dāng)"Cm時(shí)，V q Cl所以對(duì)于給定設(shè)計(jì)要求 GBW，可以確定Cc然后通過(guò)調(diào)節(jié)©“1和&皿的比值 來(lái)實(shí)現(xiàn)GBW和相位裕度。相位裕度（PM）:指標(biāo)設(shè)計(jì)要求如上所述。可以采用下式進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)的估GBWGBWPM = 90* - a

7、rcUn- arctan£p2z其中A為M3處的零極點(diǎn)對(duì)引入的相位裕度的變化，可以近似為 S° （該數(shù)據(jù)參看San sen書(shū)，模擬集成電路設(shè)計(jì)精粹）。轉(zhuǎn)換速率（SR）:對(duì)于本課程設(shè)計(jì)中的轉(zhuǎn)換速率可以分兩部分來(lái)討論，一 部分是對(duì)于Cc進(jìn)行充放電的內(nèi)部轉(zhuǎn)換速率，另一部分則是對(duì)于1進(jìn)行充放電的 外部轉(zhuǎn)換速率。如左圖所示對(duì)于一個(gè)大的負(fù)輸 入階躍信號(hào)，則M2截止，電流品 全部從M1、M3流過(guò)，M4由于電 流鏡作用也會(huì)產(chǎn)生相同大小的電流，這部分電流將從Cc流過(guò)，在Cc上產(chǎn)生一個(gè)電壓梯度，斜率為 害=譽(yù)，若 M7在變化過(guò)程中能夠提供足夠的電流給 M6，貝，保持不變，從而輸出節(jié)點(diǎn) 成如上述

8、梯度下降。對(duì)于大的正輸入階躍信號(hào)，同理。所以對(duì)于內(nèi)部Cc充放電的內(nèi)部SR的表達(dá)式可以表示為:同理對(duì)于3的充放電得到的外部轉(zhuǎn)換速率進(jìn)行分析，主要考慮對(duì)于 S的放電過(guò)程，因?yàn)榉烹娺^(guò)程中 M6有大的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓可以實(shí)現(xiàn)快速充電。放電時(shí)， 對(duì)應(yīng)的為一個(gè)大的負(fù)輸入階躍信號(hào)的情況，由于 b鹽受偏置電流及相互間的寬長(zhǎng)精品資料比控制，可視為恒定值，同時(shí)k胡也需要占用一部分，所以能夠提供給的電流大小為I苗-】D貼，所以對(duì)于外部節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換速率大小為：【訊7 - bs5EReid = q '而整個(gè)電路的SR大小為：I d：、；：上靜態(tài)電流：本次課程設(shè)計(jì)中的靜態(tài)電流總和可以表示為：hot = 1曲+ b$5 +

9、 Jl）S7根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)電流進(jìn)行累加可以得到瞅，從而卩=気«四、 電路設(shè)計(jì)根據(jù)以上對(duì)于設(shè)計(jì)指標(biāo)的理論分析，結(jié)合本次課程的實(shí)際設(shè)計(jì)要求，對(duì)電 路進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：預(yù)先設(shè)計(jì)所有MOS管過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓為0.2V，以確保MOS管都能工作在飽和 區(qū)。設(shè)計(jì)氐= ki.= lpF，這樣實(shí)現(xiàn)了極點(diǎn)分離要求大而GBW的設(shè)計(jì)要求5 小的折中選擇。1.根據(jù) GBW的表達(dá)式：GBW>30MHz乩11】US1GBW =g叭脣V山h從上式可以計(jì)算的'，即卩- r'2.根據(jù)相位裕度的要求：PM>60為實(shí)現(xiàn)相位裕度的要求，用下式進(jìn)行估算：GBWGBWPM = 90° - arc ta

10、n- arctanA > 60°p2z由于5 = Al,所以p2辱，要求p2工3GBW （當(dāng)p2=3GBW時(shí)，PM=60.2 ），即非主極點(diǎn)在3GBW之外，零點(diǎn)在9倍GBW之外能夠?qū)崿F(xiàn)。則 可以得到下式:Ktnt< Cc - CL即Sm6 gml對(duì)于相同的（孤-九），貝U可以得到:【I皿王9IOS13.根據(jù)SR的表達(dá)式：SR>30V/usER niin （ERintySIR刼根據(jù)前兩個(gè)分析得到的結(jié)果：1|爲(wèi)5CD-2【dsi一 q J CcDS7 IbS5 71苗1SKeKt 二Q=> SRint所以得到：21dsiSRinl = - > 30V/USW

11、進(jìn)一步計(jì)算得到：I屈=2【用 > 皿口 ；SR與將該結(jié)果與GBW分析中得到的結(jié)果進(jìn)行比較可以得到，同時(shí)滿足GBW要求：4.直流增益的實(shí)現(xiàn)：Av>60dB4AnAnApXp1陽(yáng)5 A 37t6uAAv =y耳廠） i （V即-%仇（幾十入J ?1同時(shí)利用":，可以得到：V尉-Vh)i(V -力仇(沖応 + VErL4)(VEKL7 + VepL J從上式可以得到'至于溝道長(zhǎng)度L和過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓有關(guān)，在過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)置為0.2V的情況下，為實(shí)現(xiàn)大的直流增益，需要增大溝道長(zhǎng)度L，故統(tǒng)一選取MOS管溝道長(zhǎng)度L=3Lmin=1um，采用此溝道長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。5.寬長(zhǎng)比數(shù)據(jù)設(shè)定：由

12、于對(duì)于工藝庫(kù)沒(méi)有了解，不清楚uCox等參數(shù)的數(shù)據(jù)，所以采用仿真的的方法設(shè)計(jì)出在確定偏置電流和過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓下合適的MOS管寬長(zhǎng)比。出于留足 余量的考慮，同時(shí)由于功耗要求相對(duì)寬裕，設(shè)計(jì)時(shí)取盟=1耐=酣0皿。設(shè)計(jì)寬長(zhǎng)比參數(shù)如下:(W/L)1 = (W 兒h = 5(w/l)3 =(w/l)4=io(W/L)5 = (W/L)8 = 5(W/L)6 = 200(W/L)7 = 50五、Cade nee仿真Av圖，零極點(diǎn)圖，電路圖，六、結(jié)論與討論本次課程設(shè)計(jì)結(jié)合我本人所上的 ASIC實(shí)驗(yàn)的課程設(shè)計(jì)利用Cade nee設(shè)計(jì)完成，對(duì)于自己完成的設(shè)計(jì)總體來(lái)說(shuō)數(shù)據(jù)均已達(dá)標(biāo)。但我認(rèn)為依然可以從如下角度進(jìn)行改進(jìn)：1. 分別就低功耗和高速兩個(gè)角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于此次設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)于各項(xiàng)參數(shù)都留了 很寬裕的空間（特別是相位裕度，在初期設(shè)計(jì)時(shí)感覺(jué)比較難滿足），所以造成了 M6，M7兩管的過(guò)大，雖然如此提供了相對(duì)好的相位裕度，功耗上的損失卻很大。故從低功耗的角度可以減小M6，M7的尺寸，使其恰好工作在設(shè)計(jì)指標(biāo)的范圍內(nèi)。而對(duì)于高速角度，可以增大M1，M2等第一級(jí) MOS管的尺寸同時(shí)第二級(jí)M6，M7適當(dāng)減小，這樣第一級(jí)的電流增加可以有效的提高SR2. 對(duì)于MOS管溝道長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)，在本次設(shè)