西北工业大学-CMOS实验三报告

1、模拟cmos集成电路实验实验三实验课3源跟随器、共栅极、共源 共栅放大器分析1、采用nmos设计源跟随器，其负载为20k的电阻。电源电压3.3vo (没有 特别说明时源衬端接)(1) nmos尺寸(w/l)=50u/05u,对输入执行dc扫描，观察输入输出的跟随 特性，指出跟随特性较好的输入电压范围。电平位移大概为多少？(2) 采用两种办法办法使输入到输出的电平位移量达到700mv左右。按照自 己的想法修改电路，并给出仿真结果。(3) 将衬底接地，重新执行(1)的分析，其结果有何不同？为什么会有这种变 化？(1)vddvout图1.1源跟随器(2)sp文件*modcl nmc)s*.model

2、 nmos nmos (+level=1 vt0=0.7 gamma=0.45 phi=0.9 +nsub二9e+14 ld=0.08e-6 u0=350 lambda=0.1 +tox=9e-9pb=0.9cj=0.56e-3 cjsw=0.35e-ll+mj=0.45 mjsw=0.2 cgdo=0.4e-9 js= 1.0e-8) ( .rjw rjw rjw rjw rjwrjwrjwrjwrjwrjwrjwrjwy i q 丫 卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜r1 sn 0 20kml dn gn sn bn nmos w=50u l=0.5urt> rt>

3、; rt> <t> <tvdn dn 0 3.3vbn bn sn 0vgn gn 0 0dc vgn 0 3.3 0.05 .options post acct probe .probe v(sn).end仿真图biumv：解再b?茅嘲令i 腹i于y*?|畀法一：增加电阻rssp文件*model nmos*.model nmos nmos (+level 二 1vto 二 0.7gamma 二 0.45 phi=0.9+nsub二9e+14 ld=0.08e-6 u0=350 lambda=0.1 +tox=9e-9pb=0.9cj=0.56e-3 cjsw=o.35

4、e-ll+mj=0.45mjsw=0.2cgdo=0.4e-9 js= 1.0e-8)rjw rjw rjw rjw丫rjwrjwrjwrjwrjwrjwrjwrjwrjwrjwrjwrjwrjwrjwrjwrjwrjwrjwrjwrjw;、;、;、;、;、;、;、;、;、;、;、;、;、;、;、;、;、;、;、卜 了、 . o( <|*r1 sn 0 400kml dn gn sn bn nmos w=50u l=0.5uvdn dn 0 3.3vbn bn sn 0vgn gn 0 0.dc vgn 0 3.3 0.05.options post acct probe.probe v

5、(sn).endr"6(tiumrcm»f»par«9«mb x»«)«a嘲划吟|唆|令|丫引划z«< 1 | q0«<wu “g<1 | j0.kuq仿真图弱 avxw* a-20080) (xj080226)i一通过仿真，当rs=400k吋，输入到输出的电平位移量达到700mv左右 法二增大gm,可以增大w/l为500/0.5sp文件*model nmos* .model nmos nmos (+level=1 vt0=0.7gamma 二0.45 phi=0.9+nsub

6、=9e+14 ld=0.08e-6 u0=350 lambda=0.1+tox=9e-9pb=0.9cj=0.56e3 cjsw=o.35e 11+mj=0.45mjsw=0.2cgdo=0.4e9 js= 1.0e-8)7* 7" 7* 7" i .、"卜"卜"卜"卜"卜i、十.。 卜 卜 卜 卜 卜 卜 卜 卜 卜 卜 卜 卜 卜 卜 卜 卜 卜 卜 卜 卜 卜 卜 卜 卜r1 sn 0 20kml dn gn sn bn nmos w=100u l=0.25ur|w丫.丫.丫. rjwrwvdn dn 0 3.3vbn

7、 bn sn 0vgn gn 0 0.dc vgn 0 3.3 0.05.options post acct probe.probe v(sn).end仿真图cwr«»t x?1 uw00 c«rr«a« t»1 0b«*o00w«*cotcwreal !： 8700 cwrml tu oot«coo d«nrwt)w31 omooocvt«a< x 2 20««000cfz yw »<ki00 pwav«<»w*l

8、(xmqooi»1 ootwoo "2 tt«s©l 5金82“戶“ 2! 3卿创计|丙|令|丫引斤|3wm«0 将衬底接地，重新执行的分析 sp文件* mode nmos * * .model nmos nmos (+level=1 vt0=0.7 gamma=0.45 phi=0.9 +nsub=9e+14 ld=0.08e-6 u0=350lambdas+tox 二 9e9pb 二 0.9cj=0.56e-3 cjs w 二0.35e 11+mj二0.45mjsw二0.2cgdo=0.4e-9 js= 1.0e-8)rt> rt&g

9、t; rt> <t> <t2l水水水水水水水水水水水水水水水水水水水水水水水水r1 sn 0 20kml dn gn sn bn nmos w二50u l=0.5uk£>rjw<7 <7 <7vdn dn 0 3.3vsn bn 0 0vgn gn 0 0.dc vgn 0 3.3 0.05.options post acct probe.probe v(sn).end仿真图山mw“ a 20080) (2000226)叶9 zi"w c7w"* i»«lv v“a h 3!金玻|欢|存|勉欢v&

10、lt;?|j7«w00cweal ! z zqvwdq «riv«tiwa| ocmooojcohooogf.q t«0 0-001 >«rirt<iv« i ooewoocwr»< k cd« 001 t m mw力81cr«e< !? 4u»00d cwraa* t*? 4i«>000 d«rir«%ivvz： ootklooq !? < i t>1 : twtlv«-t1 ft18x 62 («ck

11、)跟随特性较好的输入电压范围比(1)中电路减小，输出与输入之间电压差增大得 更快了。这是因为电路(1)中源极和衬底相接不会产牛衬底偏置电流，gmb等于零，电压 增益=gmrs/(l+gmrs),而电路(2)电压增益=gmrs/( 1 +(gm+gmb)rs),显然电路(1) 具有更好的电压跟随特性。2、共栅极电路如下图所示，负载电阻为20k。电源电压3. 3vo衬底接地。vddi rdvout|l vb.-+vin :vdd：> rdvoutvin i|图2. 2共源级电路nmos尺寸(w/l)=5u/0.5u, vb=1.0v, vin是直流为0交流为5mv的正弦 信号。通过仿真得到此

12、共栅极的增益，并与手工计算结果相比较。 共源级电路各种参数与上同，这里vin是直流为1.0v交流为5mv的正弦小 信号，仿真得到其增益并与共栅极增益相比较，它们的增益相同吗？为什么？(3)手工计算共栅极的输入阻抗，并与仿真结果相比较。(1)共栅极放大器sp文件*model nmos* .model nmos nmos (+level=1 vt0=0.7 gamma=0.45 phi=0.9 +nsub=9e+14 ld=0.08e-6 u0=350 lambdas +tox=9e9pb=0.9cj=0.56e3 cjsw=0.35el 1+mj二0.45 mjsw=0.2 cgdo=0.4e-

13、9 js=1.0e-8)rjw 1a<t <t <t <t <t> <tw <tw <t> <tw <tw <tw <t> <t> <tw <t> <t> <t>y i . q w*r1 dn vdd 20kml dn gn sn bn nmos w=5u l=0.5uvvdd vdd 0 33vgn gno 1.0vbn bn 0 0vsn snoac 1,-180 sin(0 0.005 1k).tran lus 5 ms.options post

14、 acct probe.probe v(dn).measure vmax max v(dn).measure vmin min v(dn) .end 仿真图55a-xxj80) (20082沏i*mwjmi* v*“ml加m 3!克劇创呵勉茨v9|输出电压幅值取(1 1073-0.9684)/2=0.1389v 二 138.9mv 增益为 13&9/5=27.78手工计算：gm =几 -(ycs-vth)= 350x3.84x10x(1-0.7) = 0.4032ms l0.4% =也二弘 2&f+vsb = 8m 2 雀尸+匕"4°32x2wot 二 &#

15、176;"85 加£=(g + %)心=(0.4032 + 0.085)x20 = 9.764(2)共源极放人器sp文件*model nmos* .model nmos nmos (+level=1 vt0=0.7gamma 二0.45 phi=0.9+nsub=9e+14 ld=0.08e-6 u0=350 lambda=0.1+tox=9e-9pb=0.9cj=0.56e3 cjsw=o.35e 11+mj=0.45mjsw=0.2cgdo=0.4e9 js= 1.0e-8)k£>7" 7" 7" 7" 7&quo

16、t; i 卜卜卜卜卜t、十.z1 卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜 <1%r1 dn vdd 20kml dn gn sn bn nmos w二5u l=0.5uk£ k£ k£ k£ k£ k£ k£ k£ k£ k£ rjw<jw <7 <7 <7vvdd vdd 0 3.3vbn bn 0 0vsn snoovgn gnoac 1,-180 sin(l 0.005 1k).tran lus 5ms.options post acct probe.

17、probe v(dn).measure vmax max v(dn).measure vmin min v(dn).end仿真图?5 kzw a-20080j (2000226)loi&lmqfllr”9 im«1« iia4w « czorx.qiea im1« k«l»a因|欢|吟|刚于|9|斤|阪 丽仿真测得匕你=1.3495v vmln =1.2359v所以 av= (vmax -vmin)/0.01 =( 1.3495-1.2359)/0.01=11.36他们的增益不同，与共栅极相比较，共栅极的增益要略高一些。因为共

18、栅极存在 体效应，使它的增益变高。sp文件* model nmos* *.model nmos nmos (+level=1 vt0=0.7 gamma=0.45 phi=0.9+nsub二9e+14 ld=0.08e-6 u0=350 lambda=0.1+tox=9e-9pb=0.9cj=0.56e-3 cjsw=0.35e-ll i !褚.、t、r i 卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜r1 dn vdd 20kml dn gn sn bn nmos w=5u l=0.5u rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw

19、 rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rw rwvvdd vdd 0 3.3vgn gno 1.0vbn bn 0 0vsn snoac 1,-180 sin(o 0.005 1k).tran 1 us 5ms.options post acct probe.probe i(vsn).measure imax max i(vsn).measure imin min i(vsn) .end手工计算：=82.67 kq1 1ro =

20、；*5 y(vgs-加2 0 4032x10-3 x03x0lrin -rd(g,” + gg：8m + smb(0.4032 + 0.085)x82.67 + 0.4032 + 0.085 _ "4kq 仿真图?5 kzw a-20080j (2000226)loi&lmqfllr00. t«a41«t««tw« cmkf c*x»«l« 'a因|欢|吟|刚于|9|斤|阪 丽3.设计电路，通过仿真获得下面共源共栅级电路的增益及输出阻抗，采用100ua电流源做负载。所有器件(w/l)=5u

21、/0.5uo输入信号vin是直流为iv交流为5mv 的正弦信号。共栅极的栅极偏置自行设定。 vdd手工计算与分析ml, m2, m3工作在饱和区vin 肓流为 iv .k vth二0.7vml, m2, m3电流大小相等为1ooua, 对于mlvth = 0.7vl=l-2ld =0.5 - 0.16 = 0.343.9x8.85xl(y29x109-jun = 350cm2 /v/s= 3.83ff / jum2iwr-xc°x-(-vra)2(l+avd5) = 1 oom 解得：vx= 1.27v对于m2vbl>vx+0.7=1.97vvy>vb 1-0.71wc-pg-(vbl-vx-vth 尸(1 + avl)s2) = 1 oom 得到 vbl=2.28vvy=