模拟集成电路设计训练报告

模拟集成电路设计实验模拟集成电路设计训练报告题目：用运算放大器实现的振荡器院系：信息学院电子工程系专业：集成电路设计与集成系统学号：姓名：……指导教师：…..

目录一、 实验环境 3二、 实验题目 3三、 实验电路理论推导 4(一) 启动电路 4(二) 偏置电路 5(三) 振荡电路 6(四) 迟滞比较器电路 10(五) T触发器电路 12四、 实验电路仿真参数、结果及分析 13(一) 启动电路 13(二) 偏置电路 14(三) 振荡电路 15(四) 迟滞比较器电路 18(五) T触发器电路 19(六) 总电路 22五、 实验过程遇到的主要障碍以及解决过程 23六、 实验心得 25实验环境本实验所采用的EDA工具是Cadence。Cadence是一个大型的EDA软件，它几乎可以完成电子设计的方方面面，包括ASIC设计、FPGA设计和PCB板设计，Cadence在仿真、电路图设计、自动布局布线、版图设计及验证等方面有着绝对的优势。本实验中涉及的部分主要是CadencecdsSPICE。CadencecdsSPICE是众多使用SPICE内核的电路模拟软件之一。实验题目此题是做一个基于运算放大器的振荡器，下图是题目提供的初始简单原理电路图。为了实现保证以及提高电路的功能，在此基础上，再加上启动电路、偏置电路、迟滞比较器以及T触发器。图（1）实验电路理论推导启动电路启动电路原理图Q端连接着偏置电路，实际上，偏置电路工作在零电流的条件下的可能性很大，除非长期去预防措施，振荡电路需要自启动电路来防止偏置电路停留在零电流状态。一旦抵达想要的工作点，还要求启动电路不能妨碍正常的偏置电路的基准工作点。只要基准偏置电路逃离零电流状态，会立即驱动其自身进入期望的稳定状态。在稳定状态，起动电路不影响稳定状态时所期望的电流值。当VDD把电流加在R1上面的时候，R1为M1带来导通电压，一旦M1导通，M1的漏极电压逐渐升高，直至M2也导通，此时M2为偏置电路带来电流，当电流达到偏置电路工作点，此时的R1和R2的压降使得M2的栅极电压迅速下降，M1和M2截止，此时自启动电路不再妨碍正常的偏置电路的基准工作点。想要达到以上的过程，R1和R2必须非常大，这样他们的压降才能使M2的栅极电压几乎为0。此外，R1要比R2的阻值大许多，这样才能让M1也截止，整个自启动电路停止工作。M1和M2的沟道长度也不能太短，防止沟道调制效应。偏置电路偏置电路原理图此处所用偏置是一个恒定跨导电路，COMS管的电流公式如下Id=首先，如果想要保证Id1和Id2的电流相等的话，就需要M1和M2的宽长比相等，即(W/L)1=(W/L)2。其次，M3、M4和RS将会决定电流的具体大小，从电路中我们可以得出：V且V则有Vrs=所以设置的M3的宽长比要略大于M4，即(W/L)3>(W/L)4。需要注意的是，此处的M3有衬偏效应。衬偏电压是直接加在源极和衬底之间的反向电压，它可以使场感应结的耗尽层厚度进一步展宽，并引起其中的空间电荷面密度增加，从而导致阈值电压Vth升高,而阈值电压的升高又将进一步影响到器件的Id及其整个的性能，例如栅极跨导降低等。所以RS上面的压降要尽量小，小到可以忽略，最好在100mv以下，这样可以减小衬偏效应带来的影响。这个偏置电路的特点是对温度的变化的敏感性较低，其一，从上面的公式可以看出，Vth被消掉了，Vth一般随着温度的升高减小，所以这个因素被消掉了；其二，在保证RS与温度变化无关的条件下，偏置电路的温度敏感性很低。振荡电路振荡电路原理图这是一个迟滞比较器在实际应用中组成的振荡器电路。在实际的应用中，利用电路的迟滞特性可以有效地克服噪声和干扰的影响。只要噪声和干扰的大小处在迟滞的宽度之内，就不会引起错误的阶跃。这个振荡电路由一个RC滞后移相电路和滞回比较电路组成。首先分析RC滞后移相电路部分，此部分可以简化为以下电路示意图V0+V--+R3CRC振荡电路的频率为ffRC振荡电路的增益为A(jω)A(ω)A(ω)1A(ω)10.710ω/ω0ω/ω0当ω=ω0时，增益，RC的移相网络均为衰减网络，-45-45°-90°0ω/ω0φ(ω)11通常需要3节以上的RC网络才能构成反馈振荡器，因为电路必须提供180度相移，此处我仅采用了一节RC相移网络电路，因为在滞回比较电路部分提供了足够的相移和增益，满足了振幅起振条件。RC在这个振荡器中充当定时元件的功能。R和C都是定时元件，输出的两个门限电压的计算如下。输入高电平Vih，输出高电平Voh的关系式子演算如下：VVVt1=VDD·代入上述式子，得表达式V同理可得输入高电平Vil，输出高电平Vol的关系式子V电路工作过程中，假设t=0时，Vo=Voh，且C上面的起始电压为零，此时，Voh通过R向C充电，C上的电压按照指数规律上升，直到Vc的值等于输入电压高电平Vih时停止，注意，此处的电容C上的电压等效为这个运算放大器的输入电压。这个过程实际上就是零状态响应。根据KVL（基尔霍夫电压定律），我们可以得出Voh=Vr将Vr3=R3·IVoh=解出这个一阶线性非齐次方程，我得出了Vc=Vi=Voh(1-e-C上面的电压按照指数规律上升，直到其值等于Vih时，Vo由Voh下跃到Vol,C又通过R3来放电，这是实际上是一个零输入响应过程，通过计算，可以得出以下关系式：Vc=Vihi=C上面的电压按照指数规律下降，直到其值等于Vil时，Vo由Vol上跃到Voh,如此循环往复，就形成输出所需要的方波。ViltViltVihOVitVohOVoVolC处充电电压波形图输出电压波形图经过计算可得，振荡周期为T迟滞比较器电路迟滞比较器电路图电压比较器中的运放一般处于开环状态或接入正反馈,运放工作在非线性状态。这个电压比较器采用的是一个运算放大器电路处于开环状态的差分反相放大器电路。差分放大电路采用双端输入，单端输出，V1是同相输入端，V2是反相输入端，判断同相好反相的方法是输入电压与输出电压的数值关系来判定同相和反相端。同相输入端输入一个参考电压，这个参考电压直接由下拉电阻分压提供，反相输入端则输入由振荡器输出的方波。当V1电位高于V2至少0.1V以上,我们就可以认为V1的电位高于V2,同相输入端处于高电位时，输出端也为高电位。设M1和M2的等效电阻为r1、r2，r1=r2，所以M1和M2宽长比应该相等，让两边的电流相等，M3和M4的宽长比也要一致，M5的电流是M1和M2的电流的加总，M5的沟道要较长，防止沟道调制效应的影响太大。理想情况理想情况VOV2VOV2V’实际情况实际情况输出电压特性图上图中V’在实际电路中范围较小，比较难调，所以将M1和M2的栅极相连，使得两边的Vgs相等，稳定输出电压的直流工作点。给V1输入一个阈值电压，设置阈值电压V1=1.5V。若V1>V2，则V0高电平；若V1<V2，则V0低电平；差模增益为：A最小工作电压（估算）：M1中：Vds1=M3中：Vds3M5中：Vds5最小工作电压：VT触发器电路T触发器内部的反相器电路电路的T触发器由边沿D触发器连接而成。边沿D触发器具有接收并记忆信号的功能，又称为锁存器，它的触发方式属于脉冲触发方式，不存在约束条件和一次变化现象，抗干扰性能好，工作速度快。振荡电路的输出波形的频率难以调整到准确的50%占空比，运用T触发器能够进行波形整形以及将输出波形的占空比调整至精准的50%。实验电路仿真参数、结果及分析启动电路启动电路原理图（左图含仿真结果，右图含元件参数）元件(w/l)宽长比/阻值区备注R410KR6900KM35u/1uRegion2M55u/1uRegion2偏置电路偏置电路原理图（左上包含仿真结果，右上包含元件参数）元件(w/l)宽长比/阻值区备注M04u/1uRegion2M44u/1uRegion2M25u/1uRegion2M15u/1uRegion2振荡电路此处节点设为T2，这是振荡电路的输出节点此处节点设为此处节点设为T2，这是振荡电路的输出节点此处节点设为T1此处节点设为T3振荡电路原理图（含元件参数）振荡电路原理图（含仿真参数）元件(w/l)宽长比/阻值区备注M1025u/5uRegion2M925u/5uRegion2M73u/1uRegion2M83u/1uRegion2M03u/1uRegion2M194u/1uRegion2M125u/1uRegion2R2100KR1100KR8300KR9300KT1节点和T2节点的仿真结果三角波的高度即迟滞量的大小T2节点和T3节点的仿真结果迟滞比较器电路迟滞比较器原理图（左上含仿真结果，右上含元件参数）元件(w/l)宽长比/阻值区备注M145u/1uRegion2M155u/1uRegion2M165u/1uRegion2M185u/1uRegion2M1710u/5uRegion2T触发器电路T触发器内部组成反相器原理图（左上含仿真结果，右上含元件参数）元件(w/l)宽长比/阻值区备注M2920u/1u此处各个CMOS管的区随着电路状态改变而改变，此处不写具体的区M3120u/1uM2110u/1uM2010u/1uM3420u/1uM2410u/1uT触发器内部组成原理图T触发器测试输出功能的仿真结果T触发器电路的输入输出仿真结果1T触发器电路的输入输出仿真结果2总电路整个电路分为五个部分，分别是启动电路、偏置电路、振荡电路、迟滞电路以及T触发器电路。启动电路防止偏置电路处在零电流的状态，在启动了偏置电路之后停止工作；偏置电路为这个电路提供偏置电压；振荡电路用来产生目标方波，迟滞电路将输出的方波整形；T触发器电路把输出波形的占空比调制为50%。电路的中心是振荡电路，振荡电路的太直需要端来反馈电路来把运算放大器的区域调好跑，再来调整波形的产生。实验过程遇到的主要障碍以及解决过程T触发器的电压问题：在做T触发器的过程中，我先使用的是D触发器的原理图，在此基础上连接T触发器，但是它出来的结果一直不对。解决：检查了数次电路图之后仍然是一样的结果，后来发现是我的供给电压出了问题，把供给电压从1v换成了3.3v之后，之前连的电路出来的结果就显示正常。核心所在：在之前的实验中，我曾经做过类似的电路，我理所当然地直接把前面的电路部分复制过来，没有再关注它的电压设置情况。所以，尽量不要复制电路，因为每个电路都有自己的特殊性，复制可能导致电路的某个微小部分和具体实际电路不一致，导致工作异常，而这种错误很难发现，因为电路制作者对复制的电路没有强的“戒备心”，默认为复制的就是好的。振荡器的运算放大器的元件参数设置问题：在断开振荡器，单独调整内部运算放大器的过程中，我的各个元件的区始终有一个CMOS管调不到region2。解决：如下图所示，我把M13的宽长比增大，约为左边M7、M8的两倍，然后再进行细微的调整，最后使得各个区都处在region2。核心所在：我忽略了经过M10和M9的电流应该是差不多的，因此，经过M13的电流也应该约为左边M7、M8的两倍，我的问题就在没有细致地分析电路，对电路中的电路关系和电路元件设置缺乏清晰的对应关系。此处节点设为T3此处节点设为T1此处节点设为T3此处节点设为T1此处节点设为T2，这是振荡电路的输出节点振荡器电路示意图振荡器的输出电压问题：调好T触发器之后，我发现自己振荡器的输出电压，也就是要供给T触发器的输入电压太小，才200mv，根本无