华中科技大学 IC课程设计实验报告(比例放大器设计)

I华中科技大学题目：比例放大器设计院系：专业班：姓名：学号：指导教师：20XX年XX月I摘要在模拟电路中对放大器进行设计时，差分放大器由于能够实现两倍放大和能够很好的抑制共模噪声的优良性能而被广为应用。本文利用放大器的“虚短”“虚断”的特性对比例放大器的结构及放大器的构成和基本参数进行了设计，其中放大器采用差分放大结构。关键词：比例放大器差分放大器一级结构二级结构IIAbstractWhendesigninganamplifier,differentialamplifiers,withitstwicehighergainanditsrestraintoCommon-modedisturbance,ismorewidelyusedthanotherkindsofamplifiers.Inthisreport,wemakeuseofthepropertiesof“virtualshortcicuit”and“virtualdisconnection”anddesignthestructureandparametersofthewholecircuitaswellasthestructureoftheamplifier.KeyWords：ProportionamplifierDifferentialamplifiersLevel1Level2III目录摘要..............................................................IABSTRACT..........................................................ⅠII1题目要求………………………………………………………………………………12设计过程………………………………………………………………………………22.1基本结构及分析…………………………………………………………………………………….22.1.1外围电路分析……………………………………………………………………………………22.1.2运算放大器选择…………………………………………………………………………………32.2工艺参数提取……………………………………………………………………………………...32.3理论推导与计算…………………………………………………………………………………….52.4仿真………………………………………………………………………………………………….62.5二级密勒补偿运算放大器………………………………………………………...………………102.6仿真结果…………………………………………………………………………………………...132.7综合仿真…………………………………………………………………………………………...173结果分析与结论……………………………………………………………………224心得体会……………………………………………………………………………23致谢.............................................................25参考文献………………………………………………………………………………26附录………………………………………………………………………………………2711题目要求设计一个比例放大器，参考电路如下：要求：（1）自行设计放大器的结构与MOS尺寸参数、电阻R1、R2的阻值，以达到相关性能指标；（基于0.35umCOMS工艺，MOS管长度均设定为Lmin=1um）（2）用HSPICE软件仿真电路。（3）电路性能指标满足如下要求：①0.3cos()0.7inVt:1:10inoutVV；②相位裕度[45度~65度]；③输入信号频率100infMHz；④输出电流10outImA22设计过程2.1基本结构及分析2.1.1.外围电路分析指标要求中隐含了增益要大于10倍，带宽大于100MHZ，暂时不考虑相位裕度。如图结构来说，根据放大器的“虚短”、“虚断”特性，可以列出如下等式：12RVinVoutRVin根据题目要求：Vin:Vout=1:10因此，有：R1=9R2又：Iout=Vin/R2=10mA,Vin=1+0.1cos(wt)得：1002R9001R另外，信号中包含1V直流电压，相当于为放大器提供了直流偏置且Vo=10Vin=1v，取工作电压为单电源3v外围电路设计至此结束，现在进行放大器内部设计。32.1.2运算放大器选型由于输入信号的特点，其中同时包含了直流与交流电压，考虑到信号噪声以及直流电压波动，使用差分放大电路能对共模输入起到很好的抑制作用，因此本设计选用差分放大电路。由于差分放大电路增益并不算高，实际中多采用Pmos有源负载以提高增益。在这里，我们选用以电流镜为负载的差分放大器实现所要求的运算放大器。电路如图所示：VDDM3M4M2M1IbiasVi1Vi2GND323NMOS器件M1和M2作为差分对管，PMOS器件M4，M5组成电流源负载。电流Io提供差分放大器的偏置电流。其中M1、M2参数全同，M3、M4参数全同。，设所有管子都工作在饱和区，如果Vgs1=Vgs2，由对称性，Id1=Id2=Id3=Id4。差分放大电路的输入输出有许多组合，本设计仅采用双端输入单端输出，因而本文仅对这种情况简要介绍。当从Vi1输入差模信号，Vi2=0（交流小信号），设Vgs1增大，则相应Id1变大，Id2变小，输出电压Vo=Id2*Ro；当输入共模信号，Vgs1恒等于Vgs2，则Id2不变，输出电压也不变。这样就相当于差模输入放大，而共模输入抑制。下面对具体参数进行设计。2.2工艺参数提取重要工艺参数并没有在本设计使用的0.35um工艺库中直接提供，需要提取。工艺库提供的参数为：Tox=7.00000E-09mUn=4.0045690E+02cm^2/(VS)Up=1.7853294E+02cm^2/(VS)图14由0oxoxoxCtK=0.5μCox得200,44NPKK为求值，需要对单个MOS管进行输出特性仿真。仿真电路如下：得到如下曲线由22()(1)()(1)2oxgsthDdsgsthdsCWVVWIVKVVVLLK已知取W\L=1，固定Vgs，则在饱和区取两数据点可得仿真单个nmos管特性vgs=3.0000vth=604.6282mvdsid4.2222.9325u4.3223.1347uKn=200lambdan=0.01仿真单个pmosM1V10VdcV30Vdc5vgs=-3.5000vth=883.4507mvdsid-3.6-108.9378u-3.5-108.5570uKp=44lambdap=0.0404.0,01.0pn2.3理论推导与计算对于上图所示差分放大器，电压增益为)4||2(10rrgmVVAido其小信号等效电路如下：列出电路的传递方程：)(2])21()2[(220oPoNmNLoNmNoPAoNoPLAoNoPoNmNirrgsCrgrCrrsCCrrrgVV第一极点LoPmPoPAoPoNoPoNmPpCrgrCrrrrgw)21()2()(21可近似为LoNoPpCrrw)||(11,因为12oNmPrg.6在达到第一极点之前，从传递函数知增益恒定，当接近第一极点时，电路的增益开始下降，在ω=1pw时，增益下降3db，之后增益以-20db/dec的速度开始下降，直到接近第二个极点。对于一级放大而言第二极点的影响可以暂时不考虑。由LoPoNCrrwf)||(21211又DpoPDnoNIrIr1,1DpnoPoNIrr)(1||则f1由λ、负载电容LC、电流DI共同决定，其中Cl不变，λ为工艺限制参数，则f1只能由Id决定。取VVGST2.01（参考文献【1】）)(210pnGSTVA=200该设计最小增益应该为10倍，带宽100MHZ，GBW=10^9则f1=GBW/A0=5MHZ本设计取取f1为10MHz，LC=5pf，则DI=6.25mA，则根据上式计算可得DpnoPoNIrr)(1||=320。最后，由于DI和1GSTV都已确定。可根据MOS管在饱和区的电流特性2)(TGSDVVLWKI分别得出M1，M2的宽长比为781.25WL,M3，M4的宽长比为3550WL。（注：本文未作特殊说明处均取L=1um）此电路中用作恒流源电流等于两支路电流之和，12.5REFmAI.2.4仿真网表见附录。电路如图：7VDDM3M4M2M1IbiasVi1Vi2GND323结果如下：静态工作点(略去不关心的参数)****mosfetssubcktelement0:m10:m20:m30:m4model0:n_330:n_330:p_330:p_33regionSaturationSaturationSaturationSaturationid6.2500000m6.2500000m-6.2500000m-6.2500000mvgs959.7753743m959.7753743m-1.0482749-1.0482749vds1.91150041.9115004-1.0482749-1.0482749******acanalysis******freqvoltdbvoltphasevovo1.0000000015.0444475-6.8749998u1.2589254115.0444475-8.6551116u1.5848931915.0444475-10.8961398u1.9952623115.0444475-13.7174277u2.5118864315.0444475-17.2692179u3.1622776615.0444475-21.7406582u3.9810717115.0444475-27.3698659u5.0118723415.0444475-34.4566210u6.3095734415.0444475-43.3783131u87.9432823515.0444475-54.6100615u10.0000000015.0444475-68.7499949u12.5892541215.0444475-86.5511176u15.8489319215.0444475-108.9614004u19.9526231515.0444475-137.1742793u25.1188643215.0444475-172.6921768u31.6227766015.0444475-217.4065723u39.8107170615.0444475-273.6986679u50.1187233615.0444475-344.5661914u63.0957344515.0444475-433.7831586u79.4328234715.0444475-546.1006154u100.0000000015.0444475-687.4999672u125.8925411815.0444475-865.5111389u158.4893192515.0444475-1.0896140m199.5262315015.0444475-1.3717428m251.1886431515.0444475-1.7269218m316.2277660215.0444475-2.1740657m398.1071705515.0444475-2.7369866m501.1872336315.0444475-3.4456621m630.9573444815.0444475-4.3378314m794.3282347215.0444468-5.4610069m1.00000000k15.0444468-6.8750002m1.25892541k15.04444