2016套筒式运放器指导书

《模拟集成电路分析与设计课程设计》指导书题目：套筒式运算放大器仿真与优化指导老师：朱玮联系方式：[e-mail]一、课程设计目的复习、巩固模拟集成电路课程所学知识，运用软件candence，在一定的工艺模型基础上，完成一个套筒式运放器的电路结构设计、参数手工估算和电路仿真验证，并根据仿真结果与指标间的折衷关系，对重点指标进行优化，掌握电路分析、电路设计的基本方法，加深对运放相关知识点的理解，培养分析问题、解决问题的能力。二、实验目标和要求1)学习cadence工具的基本设计流程；2)了解运放器的工作原理，对运放器进行设计和优化；3)结合理论知识与实际操作，加深对理论知识的理解；4)完成课程设计报告。三、设计参数和要求1设计参数（供参考）：工艺库0.35umP-subCMOSProcessVDD3.3V温度25功率10mWDCGain60dB相位裕度45degCMRR30dBPSRR30dB输出摆幅2.5V电容1~2pF表1：设计参数表2设计要求：1)给出满足题目要求的电路图；2)根据设计目标，计算各MOS管的尺寸，各个结点的偏置电压和电流；3)利用cadence对电路进行仿真，仿真内容包括：DC、AC及瞬态仿真、幅频及相频特性曲线、直流开环增益、单位增益带宽、共模抑制比、电源抑制比、输出电压摆幅、功耗等；4)对结果进行分析，并设计优化电路（共模反馈和二级放大电路）提高套筒式共源共栅运放器的输出摆幅；5)若对参数进行改动，应说明改动原因。3设计报告要求1)设计指标的确定及原因；2)电路结构的确定及原因；3)电路原理论述，具体到每个MOS管的作用；4)每个晶体管沟道长度与宽度的确定依据，所用电阻电容的选取依据；5)设计过程；6)完成设计要求中的各种波形和性能指标:幅相和频相特性、带宽增益；7)仿真结果的总结与改进（思考与感想）。四、设计基础1套筒式运放器提高输入跨导和输入阻抗可以优化单级运算放大器的增益性能。提高输入阻抗比提高输入跨导更具有研究价值。在电路结构中添置一个共源共栅放大器会显著提高阻抗值，套筒式共源共栅结构应运而生。伴随着共源共栅结构的加入，P管和N管的输出阻抗增大，以共源共栅差动的形式，使电路获得理想的增益，较高的速度、低功率损耗、低噪声效应。但相应地，电路的输出摆幅得到约束。1）参考电路如图1所示的双端输出套筒式共源共栅运放器电路。晶体管1和3以及管2和4组成共源共栅放大器，而晶体管5、6、7、8组成共源共栅电流源负载。为了简化设计过程，设计中所需的偏置电流可以直接由电源提供。图1套筒式共源共栅运算放大器双端输出参考电路图2筒式共源共栅运算放大器单端输出参考电路单端输出需要一个从输出端到地的电容实现弥勒补偿，以增加电路结构的稳定性。2）运放的小信号操作图3运放的小信号操作以图1双端输出套筒式共源共栅运放为例，其开环输出阻抗为因此，运放的开环直流增益表达如下3参数计算注意所有的PMOS衬底接电源，NMOS衬底接地，并且所有的MOS管需要工作在饱和区。需要偏置电流可直接用电压源代替。1）进行合理的电流和过驱动电压分配2）宽长比的确定通过电流与过驱动电压的关系式确定宽长比:根据每个管子的阈值电压，以及工作在饱和区的条件确定MOS管的具体宽长比。五软件模拟1模型参数查看：在Windows系统的PC机上启动linux虚拟机。点击鼠标右键，打开虚拟机命令窗口（如图4所示），输入图中指令，打开本次设计所需的模型。在打开的模型文件（.scs）中，输入/mn即可看到本次所使用的noms的相关参数（如图5所示）。图4图52建立工作环境：1）建库:打开桌面icfb图标，在CIW窗口依次点击File、New、Library（如图6所示）。在所弹出的窗口中输入此次设计的名字Telescopic，在右边选择第一个然后点击OK，在弹出窗口添加工艺库文件xxx.tf(如图7所示)。图6图72）建立原理图编译窗口：在CIW窗口中，依次点击File、New、Cellview，进行如图8所示设置。图83）原理图设计：在原理图编辑窗口中，点击键盘上字母I，出现如图9所示窗口，选择analoglib，选择nmos4等所需的器件。图9点击键盘上的字母P，添加所需的输入、输出端口，最后连接每一个器件，再在所需的地方给线命名，完成原理图的设计（如图10所示）。图104）参数设定：I）过驱动电压分配：按照工程上的常规设计，将输入管的过驱动电压Von设为0.2V，负载管的过驱动电压设为0.2到0.5V，尾电流管设为0.3到0.5V。此次设计中，M0过驱动电压为0.3V，M1到M4过驱动电压0.2V，M5到M8过驱动电压为0.3V。II）M0管偏置电压：将所有mose设置为两个管子并联。把M0管的漏极电压潜位到0.3V，然后打开仿真环境编译窗口（如图11所示）。图11依次点击Setup、ModelLibrary，选择仿真模型，Section设置为tt（如图12所示）。图12打开扫描选项，选择瞬态扫描。打印出M0的仿真参数，如图13所示，可见其Vth=747.1mV。所以其偏置电压设为1.075V。图135）宽长比的设定：对M0进行DC扫描，选择对M0模型参数W扫描，扫描范围为1uM到20uM。选择扫描输出结果为M0的漏极电流，扫描结果如图14所示。选择漏极电流为20uA，其所对应的宽为9.3965uM。图14取M1、M3、M7管子的漏极电流为M0管子的一半，对其余除M5、M6之外的mose以相同于M0的方式进行偏置电压和宽长比设定。五、考核与评价该门设计实验课程的考核将采取现场验收和设计报告相结合的方式。学生完成了所选题目的设计过程，并且仿真结果达到了所要求的性能指标，可以申请现场验收，向老师演示设计步骤和仿真结果，通过验收后每小组提交一份设计报告（打印版和电子版）。其中，设计指标，电路设计要求和设计报告要求的具体内容在下面的各个题目中给出了参考。成绩的评定将根据验收情况和设计报告的完成度来确定。具体考核比重分配如下：六、参考文献《模拟CMOS集成电路设计》，拉扎维著西安交通大学出版社2006.8《CMOS模拟集成电路》第二版，P艾伦著电子工业出版社2006.5《CMOS电路模拟与设计-基于Hspice》,钟耀文编著科学出版社2009.10