集成电路分析与设计实验(2)实验报告-实验三 CMOS两级放大器分析与设计实验

集成电路分析与设计实验(2)LAB3CMOS两级放大器分析与设计实验实验报告PAGE0集成电路分析与设计实验(2)实验报告实验名称实验三CMOS两级放大器分析与设计实验实验设备(1)计算机(2)CadenceVirtuosoADE5.1.41(3)CadenceSpectre实验目的①熟悉并掌握使用提取的指定工艺(TSMC0.35um混合信号工艺)的器件的电学参数进行电路设计②熟悉并掌握NMOS输入管差分对输入PMOS共源两级放大器设计、PMOS输入管差分对NMOS共源两级放大器分析与设计③熟悉并掌握两级放大器相应指标的分析与仿真验证方法实验内容①根据设计指标，完成给定的电路设计(预习)②根据要求调整静态工作点，使其和设计符合(OP分析)③交流小信号分析电路的差模频率响应、共模频率响应、CMRR(AC分析)④DC分析共模输入范围、输出电压范围、共模输入电平对差分对跨导的影响⑤电源抑制比PSRR的分析与验证、零极点分析⑥parametricanalysis分析共模输入电平对差模增益的影响=7\*GB3⑦压摆率（转换速率）SR分析=8\*GB3⑧温度扫描分析实验报告要求1.实验前按要求阅读实验操作文档，熟悉实验过程及操作步骤,设计给定电路(计算参数)2.按实验报告要求操作、仿真电路、记录数据(波形)、处理数据(波形)3.课后完成实验报告请在下次实验课前提交实验记录：实验3.2静态工作点分析与调整(OP)实验3.3频率响应分析(AC)实验3.4零极点分析及调零电阻（PZ分析）实验3.5共模则增益及共模抑制比CMRR实验3.6共模输入范围分析(DC)实验3.7输出电压范围分析(DC)实验3.8正负电源抑制比PSRR±分析(AC)实验3.9共模输入电平对差分对差模增益的影响(parametricanalysis)实验3.10压摆率（tran分析）实验3.11温度扫描分析电路设计部分(预习完成)依据实验3.3.1预定设计指标，根据以下分析过程，估算设计静态工作点①约束条件：过驱动电压M1/M2(输入管)M3/M4(负载管)M5(长尾管)M6(共源放大管)M7(共源负载管)0.2V0.2V0.2V0.2V0.2V②根据频率响应和相位裕度要求确定第一级差分对电流和第二级电流比例以及密勒电容ID6/ID1倍数CLCc63pF1.3pF③根据单位增益带宽、压摆率估算电流(注意不要超过静态功耗的约束条件)M1/M2(输入管)M5(长尾管)M6(共源放大管)100uA200uA600uA④根据直流差模增益/共模增益指标估算器件沟道长度M1/M2(输入管)M3/M4/(负载管)M5(长尾管)L=1.2um=0.04L=2.5um=0.04L=1.2um=0.04注意M3、M4、M6的L一致，M5和M7的L一致M6(共源放大管)M7(共源电流偏置)L=2.5um=0.04L=1.2um=0.04⑤根据过驱动电压。工艺跨导计算器件宽长比，从而确定器件最终尺寸(单位：um)M1/M2(差分对输入管)M3/M4(差分对负载管)M5(差分对长尾管)W/LWLW/LWLW/LWL22.827.36um1.2um83.2208um2.5um45.654.72um1.2umM0(镜像电流源)M6(共源放大管)M7(共源负载管)W/LWLW/LWLW/LWL22.827.36um1.2um499.21248um2.5um136.8164.16um1.2um器件电流和沟道长度参数计算过程(将计算结果拍照后截图放入下面边框中)(请在此处贴上计算器件沟道长度参数的手写计算过程截图，作为预习依据)FigureSEQFigure\*ARABIC1器件电流及沟道长度分析预习根据器件电流计算器件宽长比和沟道宽度计算过程(计算过程拍照后截图放入下框中)(请在此处贴上计算器件宽长比和沟道宽度参数的手写计算过程截图，作为预习依据)FigureSEQFigure\*ARABIC2器件宽长参数分析预习依据计算的器件参数，根据以下分析过程，验证设计指标根据静态工作点的计算结果，计算以下器件参数gm(单位uA/V)ro(单位kΩ)Cgs(单位fF)Cgd(单位fF)M1/M2(输入管)100025098.4965.00688M3/M4(负载管)1000250156038.064M5(长尾管)2000125196.99210.01376M6(共源放大管)600041.669360228.384M7(共源负载管)600041.66590.97611.74128根据上表计算的参数，计算验证两级放大器的差模增益、共模增益、共模抑制比、主极点、次极点、右零点、单位增益带宽、相位裕度、正负电源抑制比、共模输入范围、输出电压范围。并将这些计算过程拍照后填入下面虚框中，作为预习依据。这些计算过程拍照后填入下面虚框中，作为预习依据。估算CMOS两级放大器频率响应特性差模增益(V/V)15600差模增益(dB)83.86共模增益(dB)-12.04共模抑制比CMRR(dB)95.9主极点7.4KHz次极点28MHz右零点735MHz单位增益带宽115MHz相位裕度14°调零电阻Rz0.83KOh正电源抑制比PSRR+89.89负电源抑制比PSRR-∞共模输入电压范围[0.2V,2.15V]输出电压范围[0.2V,3.1V]压摆率SR+114V/us压摆率SR-133V/us电路频率响应结果计算过程(将计算结果拍照后截图放入下面边框中)FigureSEQFigure\*ARABIC3电路频率响应结果分析预习电路仿真实验部分（课堂完成）实验3.2静态工作点分析及调整【实验报告打印出来后再使用笔填写】实验3.3频率响应分析(不带调零电阻Rz)低频增益(dB)81.155-3dB频率1.71KHz单位增益带宽15.69MHz相位裕度41°AC分析，抓出低频增益和-3dB频率坐标FigureSEQFigure\*ARABIC4低频增益和-3dB频率AC分析，抓出0dB坐标和0dB频率对应的相位坐标FigureSEQFigure\*ARABIC50dB坐标和0dB频率实验3.4零极点分析PZ分析，抓出未加调零电阻电路的零极点频率FigureSEQFigure\*ARABIC6未加调零电阻电路的零极点频率PZ分析，抓出加调零电阻后电路零极点频率【注：后面仿真都加调零电阻】FigureSEQFigure\*ARABIC7加调零电阻后电路零极点频率AC分析，抓出加调零电阻后0dB坐标和0dB频率对应的相位坐标FigureSEQFigure\*ARABIC8加调零电阻后0dB坐标和0dB频率对应的相位实验3.5共模增益频率响应分析低频共模增益(dB)-3.57825低频CMRR(dB)84.733AC分析，抓出共模增益和CMRR幅频特性曲线，并标注低频共模增益和低频CMRRFigureSEQFigure\*ARABIC9共模增益频率曲线FigureSEQFigure\*ARABIC10CMRR幅频特性曲线实验3.6共模输入范围分析Vin(min)0.96VVin(max)2.74VDC分析，抓出共模输入范围，并标注出关键点FigureSEQFigure\*ARABIC11共模输入范围实验3.7输出电压范围分析Vout(min)0.2VVout(max)2.6VDC分析，抓出输出电压范围，并标注出关键点FigureSEQFigure\*ARABIC12输出电压范围实验3.8电源抑制比PSRR分析正电源增益(dB)-8.521PSRR+(dB)89.68负电源增益(dB)-28.6PSRR-(dB)109.73AC分析，抓出正电源增益幅频特性和PSRR+幅频特性，并标注出相应低频值FigureSEQFigure\*ARABIC13正电源增益幅频特性和PSRR+幅频特性曲线AC分析，抓出负电源增益幅频特性和PSRR-幅频特性，并标注出相应低频值FigureSEQFigure\*ARABIC14负电源增益幅频特性和PSRR-幅频特性曲线实验3.9差模增益随共模电平变化曲线parametricanalysis分析，分析差分对差模增益随共模电平变化曲线FigureSEQFigure\*ARABIC15差分对差模增益随共模电平变化曲线实验3.10正负压摆率仿真Tran分析，分析两级放大器的正负压摆率SR+30SR-27Tran分析，抓出输出电压范围，并标注出关键点FigureSEQFigure\*ARABIC16Tran分析输入输出范围FigureSEQFigure\*ARABIC17Tran分析SR+、SR-实验3.11温度对两级放大器输出静态工作点的影响(温度失调)DC分析，抓出输出电压随温度漂移而引起的漂移范围FigureSEQFigure\*ARABIC18输出电压随温度漂移而引起的漂移分析总结部分(本页自成一页)CMOS差分对放大器设计指标对比工艺TSMC035MM2P4M标准CMOS设计指标实验给定值手算结果仿真结果负载电容CL=3pF=3pF=3pF密勒补偿电容Cc=1.3pF=3pF静态功耗单号<3mW，双号<4mW3mW3mW共模输入范围[1V,3V][0.2V,2.15V][0.96V,2.74V]输出摆幅越大越好[0.2V,3.1V][0.2V,2.6V]直流增益单号大于10000倍(44dB)双号大于12000倍(40dB)15600倍（83.86dB）11422倍（81.155dB）共模抑制比至少比差模增益大10dB95.984.733电源抑制比至少比差模增益大10dB89.8999.705压摆率SR20V/us114V/us28.5V/us单位增益带宽(无Rz)单号>15MHz;双号>10MHz115MHz15.7MHz单位增益带宽(有Rz)115MHz18.45MHz相位裕度(无Rz)大约60°14°41°相位裕度(有Rz)60°课程名称集成电路分析与设计实验(2)课程代号Title实验三CMOS两级放大器分析与设计实验PROCESSTSMC0.35UMMIXEDSIGNAL2P4MPOL