COMS放大器设计教案资料

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。COMS放大器设计目录TOCo1-3hzuHYPERLINKl_Toc282886602一、设计思路PAGEREF_Toc282886602h1HYPERLINKl_Toc282886603二、CMOS放大器设计PAGEREF_Toc282886603h2HYPERLINKl_Toc2828866042.1、任务与要求PAGEREF_Toc282886604h2HYPERLINKl_Toc2828866052.2、设计要求PAGEREF_Toc282886605h2HYPERLINKl_Toc28288

2、66062.3、对CMOS放大器的研究与计算PAGEREF_Toc282886606h2HYPERLINKl_Toc282886607三、电路设计及仿真PAGEREF_Toc282886607h6HYPERLINKl_Toc2828866083.1、直流工作点的分析PAGEREF_Toc282886608h7HYPERLINKl_Toc2828866093.2、交流信号分析PAGEREF_Toc282886609h8HYPERLINKl_Toc2828866103.3、瞬态分析PAGEREF_Toc282886610h10HYPERLINKl_Toc2828866113.4、小信号特性分析PA

3、GEREF_Toc282886611h12HYPERLINKl_Toc2828866123.5、压摆率大信号分析PAGEREF_Toc282886612h13HYPERLINKl_Toc282886613四、课程设计心得PAGEREF_Toc282886613h14HYPERLINKl_Toc282886614五、参考文献PAGEREF_Toc282886614h15一、设计思路日常生活中放大器的用途随处可见，但关于用MOS管的放大器还很少，综合所学习过的知识去设计一个CMOS放大器，本设计采用GPDK180工艺，实现增益大于40dB（即放大100倍以上），相位裕度大于60，功耗小于1mW，同

4、时用1.8V的电压源供电。设计MOS管所采用的是PMOS和NMOS的组合管构成放大器，因为同样的体积、同样的掺杂浓度下，PMOS管的电阻会比NMOS管的电阻要大，所以在这两种MOS管组成的电路中，采用NMOS作为放大管，而PMOS作为偏置负载，两种组合管串联起来，从组合管的中间引出放大的信号，由于放大倍数还不够大，本设计采用NMOS管作为放大管，这只是理想中器件的选择，接下来就是参数的计算以及对电路设计的模拟和仿真。由于采用GPDK180工艺、电源电压1.8V的基础上设计，所以就要在资料库中查找并选好MOS管的参数，对于MOS管最重要的是W/L的比值，根据放大倍数以及对功耗的要求可求出W/L比

5、，根据电源电压可求出驱动电路的电压值。得到的宽长比可与资料里面的标准对比，取一定的长度就可以得出器件的宽度，根据所选定的器件去查找相应的MOS管栅极的氧化层参数，应注意的是在GPDK180工艺中，宽度最大不超过50nm，长度最大要180nm以上。为了得到合适的放大倍数以及较低的功耗，PMOS管和NMOS管连接起来，PMOS管的上端接电源Vdd下端接NMOS管，下端的NMOS管接地，在两个MOS管的中间取出放大信号，给上端的PMOS管的栅极加一个适合的偏置，在NMOS管的栅极输入，根据以上思路制作本次设计二、CMOS放大器设计2.1、任务与要求：设计CMOS放大器，要求如下：1采用GPDK180

6、工艺。2增益大于40dB,相位裕度大于60。3功耗小于10mW。4电源电压为1.8V。2.2、设计要求：1）、根据设计指标要求，选取、确定适合的电路结构，并进行计算分析；2）、电路的仿真与分析，重点进行直流工作点、交流AC分析、瞬态Trans分析、建立时间小信号特性和压摆率大信号分析，能熟练掌握各种分析的参数设置方法；3）、电路性能的优化与器件参数调试，要求达到预定的技术指标。4)、整理仿真数据与曲线图表，撰写设计报告。5）、按照课程设计要求，采用GPDK180工艺设计，COMS放大器的模型如下：图1CMOS放大电路模型2.3、对CMOS放大器的研究与计算设计要求：采用GPDK180工艺；放大

7、增益大于40dB，即100倍以上；相位裕度大于，功耗小于10mW;电源电压为1.8V。1）、由公式，可得可取2）、采用GPDK工艺，用一个PMOS管与一个NMOS管接连做放大器设定NMOS、PMOS的制作长度，可知于是有放大电路的交流小信号模型如下：图2放大器的小信号模型:令Vin=0，即3）、4）、5）、根据,在软件库中查到相应的NMOS和PMOS的计算参数：NMOS：L=0.360.5um，w=1.23um氧化层厚度：PMOS：L=0.360.5um，w=1.23um氧化层厚度：6）、7）、8）、电路放大时，必须保证NMOS和PMOS同时工作在饱和区，9）、设输出电压的最大摆幅为2V，NM

8、OS工作在饱和区，则应满足的条件：NMOS管处在饱和区的同时PMOS也工作在饱和区，则10）、11）、三、电路设计及仿真电路的各个参数计算出来，本设计采用VMwareWorkstation虚拟机进行仿真，VMwareWorkstation是一个运行在Linux系统下版级和系统级的EDA软件，打开虚拟机后，进入虚拟机的启动电源界面，然后启动虚拟机的电源，点击进入启动本次设计的软件，双击在界面的上方的“新建终端”动作图标，在终端输入cdwork/gpdk180回车后，输入icbf指令就到了icfb文件下，在界面对话框中选择file/new/library，弹出对话框newliabrary，在名字框

9、中填入文件夹名zhang，选择attachtoanexistingtechfile,在弹出的对话框中选择gpdk180后，点OK回到icfb。再选择file/new/cellview，在libraryname选择的基础上新建一个fangda的library名，点击OK即可。根据以上的操作和计算，在gpdk180下设计出电路图，并进行参数的设置，选择PMOS管的w=50u，l=200n；选择NMOS的w=37u,l=400n.设置后设计的初步图设为：图3CMOS放大设计图3.1、直流工作点的分析画好电路图后要看设计的是否正确，经过多次修改后得出最好的参数设置，并在此基础上进行了相应的仿真，接下来

10、是对所设计的电路做直流（DC）分析。因此输入信号采用直流电压源信号输入，其电压为参数的电压2.75V。具体电路如下：图4直流分析电路绘制好电路图之后修改各器件的参数知道接恰当为止，修改好参数后点击checkandsave，保存好后选择tools/analogenvironment，进入VirtuosoAnalogDesignEnvironment模拟环境,在弹出的对话框中选择choose，再在弹出的对话框中选择DC分析，并在SaveDCoperatingPoint选项上选中，点击OK回到analogenvironment;选择运行Simulation/NetlistandRun,然后选择Res

11、ult/Print/DCOperatingPoints进行结果的查看，在弹出界面之前点击最右边电源V0，就得到本次设计电路运行结果的参数。进过多次调整两个MOS管的W/L后得到符合本设计要求所规定的参数值，电流为3.43494mA还不算小，功率为6.1829mW10mW,所得的结果如下，由结果可看出，设计电路模拟出来的电流和功率基本符合本次设计要求，图中数据的符号代表方向。图5直流分析结果3.2、交流信号分析在进行交流分析之前要先将NMOS输入的信号源换成交流源，其DC分析电压为原来的直流分析是的电压，频率设为1KHz，具体电路如下：图6交流分析电路图换好交流信号电压源后点击checkands

12、ave，保存好后选择tools/analogenvironment，进入VirtuosoAnalogDesignEnvironment模拟环境,在弹出的对话框中选择choose，再在弹出的对话框中Analysis选择AC分析，在SweepVariabl/Frequence，在SweepRanged的Start_Stop的start里输入1，在Stop里输入100G；再在Sweeptype里选择Logarihmic，并在PointsPerDecade。点击OK回到analogenvironment;选择运行Simulation/NetlistandRun,然后选择Result/Directpol

13、t/MainForm，在弹出的对话框中选择Voltage，在Modifer下选择20dB，再在原理图中点击输出线，进行结果的查看，对交流信号的仿真结果如下：图7交流放大增益仿真由结果可看出放大增益约44dB，放大倍数符合本次设计的要求跃升频率约为。同理在VirtuosoAnalogDesignEnvironment模拟环境中的Modifer选择Phase的得到放大倍数和相位仿真，结果如下，从图中可看出相位裕度绝对大于60.放大倍数大于40dB，这是调整并优化的实验结果，均达到设计要求图8增益与相位仿真3.3、瞬态分析进行Trans分析，将输入接交流源，设定参数DC值为原来直流模拟时值，调试幅度

14、为10mV，频率为1KHz，设计电路图如下图9瞬态分析电路图设置好信号电压源后点击checkandsave，保存好后选择tools/analogenvironment，进入VirtuosoAnalogDesignEnvironment模拟环境,在弹出的对话框中选择Output/ToBePoltted/selectfromSchmatic,进入SahmaticEdit窗口，点击“in”和“out”线，选择电压输出。点击OK回到analogenvironment;选择运行Simulation/NetlistandRun,然后选择Result/Directpolt/MainForm，在弹出的对话框中

15、选择Voltage，然后在电路图上选择“in”和“out”线，再在原理图中点击输出线，进行结果的查看，对交流信号的仿真结果如下：图10Trans分析结果由图可知，输入的是余弦波，输出是与之反相的正弦波，波形没有失真，方向为输入的反向，因为定义了50ps延时，所以输入输出在时间上不精确对准，中的说来放大倍数是达到要求的。3.4、小信号特性分析建立时间小信号特性分析接入信号源信号源的电压为2.75V，上升和下降时间为1ps，脉冲宽度为500ps，时段为1ns，换好交流信号电压源后点击checkandsave，保存好后选择tools/analogenvironment，进入VirtuosoAnalo

16、gDesignEnvironment模拟环境,在弹出的对话框中选择choose，再在弹出的对话框中Analysis选择Trans分析，在Stoptime选项里输入30p，点击OK确定回到analogenvironment;选择运行Simulation/NetlistandRun,然后选择Result/Directpolt/MainForm，在弹出的对话框中选择Voltage，再在原理图中点击输出线（out），进行结果的查看，对交流信号的仿真结果如下：图11Trans的小信号建立从图可看出小信号建立的时间约为12ps3.5、压摆率大信号分析压摆率是指单位时间（一般用微秒）器件输出电压值的可改变的

17、范围压摆率，意思就是HYPERLINK/view/389763.htmt_blank运算放大器输出电压的转换速率绘制好电路图之后修改各器件的参数知道接恰当为止，修改好输入信号的参数后点击checkandsave，保存好后选择tools/analogenvironment，进入VirtuosoAnalogDesignEnvironment模拟环境,在弹出的对话框中选择choose，再在弹出的对话框中选择DC分析，在SweepVariabl/ComponemtParameter，点击SelectComponent之后或自动切换到原理图上，选择V1，在弹出的对话框选择DC，坏到前面的选择分析窗口，在

18、SweepRanged的Start_Stop的start里输入1，在Stop里输入4；再在Sweeptype里选择Linear，在StepSize里填上0.01。点击OK回到analogenvironment;选择运行Simulation/NetlistandRun,然后选择Result/Directpolt/MainForm，在弹出的对话框中选择Voltage，再在原理图中点击输出线，进行结果的查看，即可得到仿真的结果：图12压摆率大信号分析从图中可看出，由于电压为1.8V，其从高电平越变为低电平的值为0.5V左右。四、课程设计心得集成电路课程设计终于完成了，一开始什么什么都不知道做，因为我

19、们没有学到真正能用于实际的，一开接到课题，都不知道如何下手，只知道跟做老师讲的去做，外加以前学的一点点，自己慢慢去做，但具体就不知道这么做了，到后来参考了他们的设计，我才有了了具体的做法，本次设计就是要找好MOS管的W/L比及其他参数，在cadence软件里去查找了所要用的器件的参数，然后计算出来，但是实际做的时候往往要改很多不当的数据，只有仿真出来的结果才会证明计算是不是对的，很多不懂得只有自己琢磨着去做，同自己慢慢的摸索，最后还是一步一步的的把结果做出来了。对于我们电子专业还是什么工科专业，不管是硬件设计还是软件设计，都要分模块设计，设计思路都是自顶向下，自底向上。知识的连贯性体现于应用。我觉得学习在于发现问题，解决问题，解决问题的关键在于自己，而不是一味的依靠别