北邮cmos实验报告

1、北京邮电大学模拟cmos集成电路设计实验报告学院：电子工程学院班级:2013211202学号：姓名：指导老师：韩可目录实验一:共源级放大器性能分析1.实验目的2.实验内容3.实验步骤4.实验结果实验结果分析实验二差分放大器设计!实验目的2.差分放大器的设计方法及实验原理3.实验内容4.实验步骤实验结果6.实碎果分析实验三:电流源负载差分放大器设计1-实验目的2.实验原理3.差分放大器的设计方法104.实验内容10实验步骤106.实验结果117.实验结果分析12实验五共源共栅电流镜设计131. 实验目的132. 实验设计题目及要求133. 实验内容134. 实验结果175. 实验结果分析18六勰

2、设计总结19实验一:共源级放大器性能分析1. 实验目的1）掌握synopsys软件启动和电路原理图设计输入方法。2)掌握使用synopsys电路仿真软件custom designer对原理图进行电路特性仿真。3 ） 输入共源级放大器电路并对其进行dc、ac分析,绘制曲线。4 ） 深入理解共源级放大器的工作原理以及mos管参数的改变对放大器性能的影响。2. 实验内容1）启动synopsys,建立库以及cellview文件2）输入共源级放大器原理图3）设置仿真环境4）仿真并查看仿真结果,绘制曲线1）建立工作库2）建立单元3）编辑电路:添加元件、添加连线、添加管脚4 ） 仿真：添加仿真库文件，&qu

3、ot;setup/analyses"添加设置直流静态工作点和交流分析、"simulation/netlist and run"仿真并生成网表, /zresult/annotate/dc node voltages"在原理图中显示各节点直 流电压,选择results/plot，得到坐标曲线。4实验结果1）共源放大器电路原理图r73 -icki6叱汕&?妙肝以”1丁、灰tl旳"02）放大电路的幅度与相位曲线.'母m)3gi1m伽lg直5实验结果分析计算放大器的放大倍数（实验中w/l=1o rd “ok,gm约为500p ）理论上 a

4、v=-gmrd=14db由图可以看出实际增益略大于理论增益实验二差分放大器设计1. 实验目的1) 掌握差分放大器的设计方法2) 掌握差分放大器的调试与性能指标的测试方法2. 差分放大器的设计方法及实验原理1)确走放大电路2)3)确定静态工作点q:(vimin+vimax)/24)确定电路中其他参数的值手工计算场效应管的直流转移特性曲线,在曲线上确立出mos管的饱和区，确定输入电压，输出电压的范围。3. 实验内容1)按一下指标，设计一个差分放大器：电压放大倍数大于20db,尽量增大gbw2)对所设计的电路进行设计、调试3)对电路的性能指标进行测试仿真，并对测量结果进行验算和误差分析4.实验步骤1

5、)绘制电路图粗略确定电路中的元件参数3)根据要求调整元件参数4)仿真，并生成网表5)绘制频谱特性图形画刚瓯鋁曲船x罡0柵(t蛊錮s锻sth舞緊ideu (cm6.实验结果分析1）调节mos管竟长比和电阻大小,得到对应放大倍数r/(w/l)203040506020k16.8db17.3db17.7db17.9db18db30k202db206db21.1db213db21.4db40k226db23ldb234db236db238db2 ）分析不能直接增大r的大小实现放大倍数的增大的原因直接增大r ,会导致其上的电压vd增大，若vd增大z vdd-vd将会减小，导致输出电压摆幅减小，若vin-v

6、th二vdd-vd也随之 减小，此时仅允许非常小的电压输出摆幅，电路几乎不工作，此 外，增大r,导致输岀节点的时间常数增大。实验三:电流源负载差分放大器设计1.实验1) 掌握电流源负载差分放大器的设计方法2) 掌握差分放大器的调试与性能指标的测试方法2. 实验原理1) 电流镜负载的差分对工作原理图vgsi= vgs2 , m4通过m2的电流将是lout为0时m2 所需要的电流。vgs1> vgs2 ,要使电路平衡/ lout必须为正vgs1< vgs2 ,同理,lout必须为负。这样就使差分放大器的差分输出信号转换成单端输出信 号。2) 该放大器的小信号特性参数等效跨导为gm=v

7、(iop/4 ) =v(ki0w/4l)3）该放大器的电压增益为av=gm（ro4/ro2）=v （io/卩）*2/（入2+入5）3. 差分放大器的设计方法1）确定放大电路（选择场效应管）2）手工计算场效应管的直流转移特性曲线,在曲线上确定出mos管的饱和区，确定输入电压，输出电压的范围3）确定静态工作点4）确定电路中其他参数4. 实验内容1)按以下指标要求，设计一个差分放大器电压放大倍数大于3odb2)对所设计的电路进行调试3)对电路的性能指标进行测试仿真，并对测量结果进行验算和误差分析5. 实验步骤1)绘制电路图2)粗略确定电路中的元件参数3)根据要求调整兀件参数4)仿真，并生成网表5)绘

8、制频谱特性图形瑁祖担坡緊ideu (代画劉瓯粵曲4<罡0柵蘇屯爨覆曲 (t除番俅.97.实验结果分析1)记录在调试电路的过程中，不同电路元件参数时的电压放大倍数w/l(pmos)(行)w/l(nmos)例)706050404031.2db30.32db29.5db2&8db3030.6db29.7db28.9db28.1db2030.16db29.3db28.5db27.7db2)由表格数据可知选择pmos的w/l为30 znmos的w/i为70 , 增益为30.6db ,满足设计要求。电源电压的设置不可过大，否则将会导致放大器的输出摆幅变小,也不可过小，过小使得场效应管不能进入

9、饱和区,最终选择3v作 为电源电压，满足设计要求。实验五共源共栅电流镜设计1.实验目的1 ）熟悉软件的使用。了解cadence软件的设计过程，掌握电流镜的相 关知识和技术，设计集成电路实现所给要求2.实验设计题目及要求低输出电压高输出电阻的电流镜设计包括基本共源共栅电流镜设计和低电压电流镜设计2）设计要求：电流比1:1 输岀电压最小值0.5v输出电流变化范围5-100ua3.实验内容1）共源共栅电流镜基本参数确定每个 mosfet 的衬底都接地，(w/l)1 = (w/l)2; (w/l)3 = (w/l)4.该电路的特点如下：1 小信号输入电阻低( 1/gml)=岭1 +2输入端工作电压低(

10、jilin max kp(w/l3小信号输出电阻高(b=b2l +(£“3+%3)b3+ s )4输出端最小工作电压低( 2avx(叫=岭3 +)1)设计变量初始估算确定(w/l)l> (w/l) 2为了计算设计变量,我们有必要了解电路mosfet的工作状态，为了使输出端最小工作电压小于0.5v,令：mn3管工作于临界饱和区(即：voutwn =冬3-吟3 =0.5v ),而mn1、mn2管随着输入电流人从5ua变到100ua的过程中先工作在过饱和区最终工作在临界饱和区同时令当mn1.y=匕二mn2工作在临界饱和区时 対 2out41n _ q 25v-。为了使 mn1.mn2

11、inmaxoutm1n 22x100x105o( “» 础(吨)2123.0x10-6a/v2x 0.252 v226工作在饱和区，贝!必须：(以mn2为例计算)<=>匕>$2 v(7s2 一 岭2ds2v y = voutmin kp2(w/l)2 d52 - 确定(w/l)3、(w/l) 4从mn3管s3的角度来考虑问题，当*二100ua时，为了使mn2管工作 在临界饱和区，冬$3的电压降不可以过大，即：v <vvgs3 vg32gs3又mn3管工作于临界饱和区,则：outmino吟3 +21 inmax< 卩i w _ vqutminkp3(w /

12、 5 0uin t3 tv 厂 o ij 竺?< (v kp3(w / l)322/outm1n2x100x105<z>(w/l) > 2/两x= 263_ “dout尙n、2123.0x10a/v2 x0.252v2在此实验中,选(w/l) 1 = (w/l)2 = (w/l)3 = (w/l)4=93/3;确定(w/l)b为了节省面积，和设计的方便，(w/l)b=3/3 = 1确定ib在确定ib前要先计算岭根据衬偏效应可以得到:*3 = v.n0 + 弘/2囱 + 匕-御如)=0.643 iv + 0.63v1/2 (v0.83v+0.25v - v0.83v) 0

13、.72v因为mn3工作在临界饱和区，所以:又mnb管工作于m0s二极管状态:= vdsb = vgsb = vtb +i 2ib kpb(w/l)bib = vg3-vtb)2kpb(w/l)b>ib = vdvt3-vtb)2kpi(w/l)b+vt3-vtn0)2kpw/l)b=>/b = 0.5 x (0.5v + 0.72v -0.643 iv)2 x123.0 x10 a / v2 x1 20ua在此实验中，粗略选定ib为10ua确定沟道长度l取 e = 3um2)验证直流工作点mnb :二极管连接确保它工作于饱和区。mn3 :工作于临界饱和工作区。mn1x mn2 :当

14、b =100必，它们工作于临界饱和区；当/川减小时，匕si、2减小且2增大，使它们工作在过饱和区。mn4 :要使mn4管工作于饱和区,则：k,.4>vg54-v7.4<=>k/4>v?4-v74o> voutmin + va - 7-4outm1n而岭i =0.643iv,=°5匕显然上式成立。即mn4工作于饱和区。3) 仿真验证绘制电路图,进行仿真,通过仿真结果进行参数调整采用初始估算的设计变量，即：(w/l)l二(w/l)2二(w/l)3二(w/l)4二93/3;(w/l)b = 3um/3um;ib=10ua , rl = 7k0hm，使 mn3

15、进入临界饱和。2js«nlr4<nl;££nol<nos 只 cs5.实验结果分析调整输入电流,调节电阻和使电路满足设计要求iin(ua)iout(lla)r(kohm)ib(ua)5439681554.4117155044.158710504534571710093.569917综合多次实验的数据，最终选走元件参数为:(w/l) 1 = (w/l)2 = (w/l)3 = (w/l)4=93/3(w/l)b=3um/3umib=15uar=8kohm六-课程设计总结在为期一个月的模拟emos集成电路设计实验课程中，接触了 synopsys软 件以及学会用原理图设计方法,多次使用慢慢的对这个软件和设计流程从熟悉到 陌生，另一方面是对课本上的知识进行了巩固和加深了理解，尤其是对共源共栅 电流镜的大信号特性和小信号特性更加了解第一次试验