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跨导运算放大器的设计
一、实验任务
1-1
实验目的
< br>学会使用数模混合集成电路设计仿真软件
Hspice
；
学会按要求对电路的参数进行调整；
学会对工艺库进行参数提取；
学会用提取的参数进行手工计算分析并与仿真得出的参数进行
比较。
< br>通过上述实践达到对之前所学
《模拟集成电路原理与设计》
理论课程内容的更深入的
理解和掌握，
以及初步掌握模拟集成
电路设计的方法和步骤，
使学生能较快适应未来模拟集
成电路设
计的需求。
1-2
实验任务：设计一个跨导运算放大器
C
L
B : 1
1 : B
（
1
）
VDD=1.8 V
,
使用
库文件，
1:B
是指两
个管的
w/L
之比，
I
bias
=54
?
A
，试
调整各个管的参数，使该运放的放大倍数
A
V
=
宽<
/p>
积
GBW>100
MHz
，
相
位
裕
< br>度
v
nout
>60
，而且同时满足增益带
v
ip
?
v
in
o
PM>65
C
，
并
且
最
优
指
数
FOM
?
GBW
?
C
L
>0.422
，可先参照一个样板仿真文件
和
ota_
，然
I
total
后自己调整；
（
2
）
仿真各指标满足要求后，自行设计参数提取电路进行电路中的各个部分晶体管的参
数提取，然后进行手算分析。将分析结果与实际仿真结果进行比较；
（
3
）
尽你所能调整除
VDD
之外的其他参
数，
包括
I
bias
< br>来提高
FOM
，
最高能提高到多
少？
最后提交一个
word
电子文档，包括参数提取过程、手算分析过程、电路图（带管子参数）
、
仿真波形图、及相关详尽的说明。
二、实验内容
2-1
问题
1
2-1-1
参数分析
?
增益
Av
g
?
2
?
C
ox
(
W
/
L
)
I
d
V
0
?
g
m
1
BR
out
，
m
由
A
< br>
R
out
< br>?
r
o
3
||
r
o
4
，
r
o
3
?
V
EN
L
3
V
L
,
r
o
4
?
EP
4
I
d
< br>3
I
d
4
B= (W
3
/L
3
)/(W
2
/L
2
)
则
A
v
?
g
< br>m
1
BR
out
?
2
uC
ox
(
W
1
/
L
1
)
I
d
?
W
3
/<
/p>
L
3
V
EN
V
PN
L
3
L
4
?
W
2
/
L
2
I
d
3
I
d
4
所以，
可通过增大
M1
的宽长比，
增大<
/p>
L4
的大小，
以及提高
< br>M3
和
M2
的沟道宽长比之比<
/p>
B
来提高放大增益
A
V
。
?
增益带宽积
GBW
f
d
?
由
1
2
?
R
out
C
L
A
V
0
?
g
m
1
BR
out
GBW
?
A
V
0
f
d
?
g
m
1
B
2
?
C
L
因为
C
L<
/p>
的值不变，所以理论上提高
M3
和
M2
的沟道宽长比之比
B
、增大
M1
的跨导即增
大
M1
的宽长比可以增大
GBW
< br>，
且满足增益的要求。
?
相位裕度
PM
该电路中，
nout
为主极点，
C
L
不变，所以输出电阻
Rout
变化会
使主极点发生变化。
M2
和
M3
之间的点
N2a
为第一非主极点，所以通过改
变
M2M3
的
W/L
< br>之比，通过使
第一非主极点的位置外移，进而可以改变相位裕度。但是，改变管子
参数的同时，
总会
伴随增益或带宽的下降，所以，合理取值才是
最重要的。
?
最优指数
FOM
由
< br>FOM
?
GBW
?
C
L
/
I
< br>total
GBW
满足要求时
，减小
I
total
值可以增大
FOM
因为
I
bi
as
为定值，所以若减少
I
total
，则需减小管子的尺寸
但
I
total
跟
GBW<
/p>
具有一定的矛盾关系，
且电流太小管子可能会进入截止状态。
即使能令
MOS
管处于饱和状态，考虑实际
情况，过驱动电压也不能太小。
2-1-2
仿真结果
2-1-3
相关参数
2-1-4
计算参数
C
L
=1.0386p
I
bias
=54uA
I
total
=254.4705u
A
V0
=62.111
f
d
=1.1952MHz
PM
=70.629>65
GBW=A
V0
f
< br>d
=62.111*1.7832=110.76>60
FOM
?
GBW
?
< br>C
L
=
0.45
>
0.422
I
total
从输出文件中查得各管都工作在饱和区，符合要求。
由计算，可以证明实验参数符合指标要求。
2-2
问题
2
2
.2.1
对
NMOS
管进行电路仿真测
试并提取参数：
?
NMOS
管测试电路原理图
漏端电压从
0
到
1.8V
以步进
0.01
进行扫描，同时，栅极电压从
0
到
1V
以步进
0.05V
进行
扫描。
?
源代码：
（见附录
1
）
?
Nmos
取点：
如下图，于各条曲线取斜率并选取点进行标记
记下其横纵坐标及斜率
，计算出
VenL
，如下表
Vds/V
0.9
0.95
1.0
Ids/uA
202.59
236.76
272.56
Slope/u
22.232
27.735
34.357
VenL
-8.2125
-7.5865
-6.9332
-7.5774
Avg
VenL
＝
-7.5774
3.2.2
对
PMOS
管进行电路仿真测试并提取参数：
PMOS
管测试电路原理图
?
源代码：
(
见附录二
)
?
Pmos
取点：
方法同
Nmos
Vds/V
-0.9
-0.95
-1.0
Avg
Ids/uA
-23.13
-28.556
-34.491
-28.726
Slope/u
0.90731
0.68958
0.51568
VepL
24.5929
40.4607
65.8845
43.6460
VepL=43.6460
2-2-3
手算分析
用实验
1
的管子参数，由手算分析等到
理论值，与实验
1
的仿真值相比较。
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