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2.3.4设定W/L=40u/10u=4不变,改变的大小 15

2.3.5设定=165kΩ不变,W/L=4不变,改变W,L的值 15

第3章简单共源放大器的设计 17

3.1单级共源放大器的设计 17

3.1.1设计原理图与指标 17

3.1.2参数的估计 17

3.1.3仿真验证 18

3.2共源共栅电路 24

3.2.1设计原理图与指标 24

3.2.2参数估计 25

3.3参数比对分析 26

第4章二级密勒补偿运算放大器的设计和分析 26

4.1电路原理和参数估计 26

4.1.1电路原理分析 26

4.1.2设计指标 26

4.2电路设计与参数估算 26

4.2.1分配各级的增益 26

4.2.2确定密勒电容Cc的大小 26

4.2.3确定各级工作电流 26

4.2.4确定第一级输出摆幅和静态工作点 26

4.2.5估算第一级宽长比 26

4.2.6第二级宽长比的估算 26

4.3仿真验证和结果分析 26

4.3.1静态工作点仿真 26

4.3.2共模输入范围仿真的过程和结果 26

4.3.3开环增益,相位裕度,单位增益带宽的仿真 26

4.3.4共模电压与差模增益的关系 26

4.3.5共模抑制比的仿真过程与结果 26

4.3.6共模输入和共模抑制比的关系 26

4.3.7瞬态分析 26

4.3.8电路静态总功耗 26

4.4密勒电容对零点极点的影响以及运算放大器性能参数和稳定性的影响 26

4.5运算放大器设计指标与仿真结果 26

总结 26

致谢 26

参考文献 26

附录A基于SMIC0.18um3.3V厚氧化珊工艺MOS管的沟道长度调制系数λ和参数K的参数提取表 26

附录B译文 26

附录C外文原文 26

82

第1章绪论

1.1引言

集成电路的发展改变了人们的日常生活,它可以说是人类文明史上的新变革。

电子产品的越来越多,应用的范围也越来越广,其内部的半导体集成电路的制作要求也就越来越高。

进而集成电路中的电路设计就变得越来越重要,同时也会面临着压力,这便是我们正在面临的问题。

目前看来,一般模拟电路设计依然需要手工设计。

因此研究模拟电路设计过程,提高设计成功机会和效率是非常必要的。

虽然在给定所需功能行为描述的数字系统设计自动化方面计算机辅助设计方法应用得很成功了,但对于模拟电路来说并不适用。

模拟电路的设计一般分为三个步骤:

第一,进行原理图的设计,选择设计所选用的晶体管和各个电路器件,绘制出原理图;

第二,参数的估算,根据所要求给定的参数,总体上估算出电路中元器件的参数数值;

第三,仿真验证,验证实际数值是否与估算值有相差,如果有相差,我们需要进一步分析导致误差的原因,通过微调电路或者元器件的参数最终得到满足设计条件的电路图。

本次设计是根据cmos运算放大器的基本原理设计指标和工艺要求完成的基本运算放大器的研究分析,以求从点及面的更好的去理解运算放大器的构成和影响因素,并且能够在仿真中经过验证得到所想要得到的运算放大器。

1.2设计思路、运放介绍和软件运用

简单的介绍一下运放的研究背景和种类以及完成本次设计的设计思路和仿真软件Cadence的使用。

1.2.1运算放大器的基本设计思路

一个完整的运算放大器的设计流程可以分为:

(1)确定设计目标;

(2)设计电路并运用仿真软件进行仿真;

(3)进行版图的设计;

(4)根据版图制作出来芯片的测试。

(由于时间的限制,本次设计只考虑前两部分的详细研究)流程图如图1.1所示。

图1.1集成运放的基本设计思路

要完成一个运放电路的设计,就是首先确定电路的主要性能指标。

在本次设计中,我们主要是完成一个基本的密勒补偿运算放大器的设计。

所以我们可以基于合理的电路结构来确定电路中的晶体管的尺寸大小和电容值的大小,借此来达到设计的目的,可以使整个电路出于合理的工作状态。

给定的设计性能指标一般如下:

(1)直流电压增益Av;

(2)单位增益带宽GBW;

(3)压摆率SR;

(4)所要驱动的负载电容CL;

(5)需要达到的相位裕度PM;

(6)输入共模电压范围ICMR;

(7)输出电压范围;

(8)输出电压摆幅;

(9)整个电路所允许的功耗。

二级密勒补偿运算放大器主要是由差分放大器和共源放大器组成,而共源放大器的原理即等于是一个电阻负载的运算放大器。

因此在设计之前我们首先讨论电阻负载的放大器的参数改变对放大器本身指标的影响,接着在进行对共源放大器的讨论分析,有了前面这些测试数据的经验,之后我们在最终的设计二级密勒补偿云运算放大器才能更好地对其进行优化。

1.2.2关于模拟集成运算放大器

运算放大器从诞生到现在有40多年的历史,由最早采用的硅工艺(NPN工艺)发展到标准硅工艺(NPN-PNP工艺),由于结型场效应管技术的成熟最后又加入了结型场效应管工艺。

加上半导体集成电路运用的越来越广泛,我们对其内部的电路设计要求也就变得越来越高。

作为内部电路系统中的一个重要基本单元的运算放大器的设计如今也显得尤为的重要。

根据制造工艺,目前在使用中的集成模拟运算放大器可以分为标准硅工艺运算放大器、在标准硅工艺中加入了结型场效应管工艺的运算放大器、在标准硅工艺中加入了MOS工艺的运算放大器。

本次设计中我们主要讨论的是在标准硅工艺中加入MOS工艺的运算放大器中的全MOS场效应管工艺的模拟运算放大器,该放大器的主要特点是由于电源电压的降低,功耗大大的降低。

而按照功能/性能分类,模拟运算放大器一般可分为通用运放、低功耗运放、精密运放、高输入阻抗运放、高速运放、宽带运放、高压运放,另外还有一些特殊运放,例如程控运放、电流运放、电压跟随器等等。

但是随着技术的进步,运放的分类的门槛一直在不断的变化。

1.2.3仿真软件的介绍

因为如今设计的模拟集成电路都是深亚微米级别的,必须采用先进的EDA软件工具在计算机上进行设计。

因为基于SPICE的仿真工具Cadence公司的Spectre容易上手,并且仿真结果快速准确。

所以本次设计我们使用的仿真软件为Cadence。

Candence仿真软件有以下几个优点:

高品质,更高的设计质量,更好的设计精度,最少的转换,并且能够完成整个IC设计流程的各个方面。

由于采用Cadence设计仿真电路用的是更高级精准的模型,本次设计我们采用SMIC的0.18um工艺和3.3V的电源电压。

1.2.4运算放大器的性能指标

1.输入共模电压范围(ICMR):

指使CMOS差分放大器中的各MOS管均工作在饱和区的共模输入电压的最大值和最小值。

2输出摆幅(outputswing):

运放维持高开环增益时输出电压的范围。

3.低频增益(DCgain):

也称开环增益,是指未加反馈网络或反馈系数为零时,放大器对输入信号的放大倍数。

4.共模抑制比(CMRR):

衡量放大器对共模输入信号抑制能力的一个参数。

5.带宽:

放大器的增益降低到直流值的-3dB时所对应的频率。

6.单位增益带宽(GBW):

增益为1(0dB)时对应的频率。

7.相位裕度:

避免放大器闭环应用时发生振荡。

8.转换速率(摆率SR):

大信号输入时,输出电压的变化对时间的比值,由对电容充放电的最大电流决定。

9.建立时间(settlingtime):

当运放受到一阶跃大信号激励时,输出电压达到平稳值所需要的时间。

1.3章节内容概述

第二章主要阐述了运放的基本构成单元电阻负载放大器的设计和电路参数的变化对电路性能所造成的影响,从而为之后设计更为复杂的电路进行铺垫。

第三章主要是使我们对单级放大器的设计形成一个认识,熟悉运算放大器的设计过程以及怎样使设计达到我们所需要的指标。

学会使用改变电路参数的方法来达成设计目的。

第四章为本次设计的重点,在此我们详细介绍了二级密勒补偿运算放大器的设计的整个流程,并且考虑了影响电路指标的重要因素,并从中分析优化电路。

图1.2设计思路

第2章简单的电阻负载共源放大器

2.1电路原理分析

在这里我们讨论的是基于SMIC0.18um3.3V厚氧化栅工艺PMOS管电阻负载共源放大器的分析与设计。

电阻负载的共源放大器的结构如图2.1所示。

其将栅极电压小信号变化转换成漏极电流小信号,通过负载电阻转换为输出电压。

图2.1NMOS和PMOS的电阻负载共源放大器的基本原理图

当,晶体管M截止,电流极小,

(2.1)

当接近,晶体管开始导通,(NMOS),开始变小;

对于PMOS管,,开始变大,晶体管处于饱和区。

(NMOS)(2.2)

(PMOS)(2.3)

进一步增大Vin,直到,晶体管加入线性区,

(2.4)

通常要保证,我们可以得到小信号增益如下公式:

(2.5)

(2.6)

(2.7)

如图2.2是交流小信号等效电路:

图2.2NMOS电阻负载共源放大器交流小信号等效电路

据电路原理,为了实现高增益,可以提高负载电阻,增大晶体管的输出电阻,提高晶体管的跨导等办法。

其中增加负载电阻,会占用很大面积,一般不采用。

但是电阻负载放大器的寄生电容和噪声电压都比较小,适合低增益高频放大器。

下面对电阻负载共源放大器的影响因素进行分析和讨论。

2.2电路仿真过程与原理

在软件中绘制出电阻负载的单管共源放大器,如下图2.3所示:

电源为3.3V,PMOS采用SMIC0.18工艺3.3V晶体管,栅极接电压源偏置1V。

图2.3PMOS电阻负载单管共源放大器电路图

取与电源Vdd相连的电压源V0的电压为3.3V,假设共源放大器的静态工作电流大小是10uA,静态工作电压为0.5,从而固定电阻,即图中的电阻。

设置参数的方法如下图2.4所示。

图2.4电阻负载单管共源放大器中电阻值的设置

然后在输入电压端做DC扫描,首先我们将PMOS的W/L的尺寸设置为1.8um,即取W=1.8um,L=10um。

下面我们开始对输入电压做DC扫描,分析的内容就是将输入电压的范围从0V逐渐变化到3.3V(),输出电压的变化从0变化到。

当Vgs不断变小,MOS开启越大,Id越大,输出电压降低。

最终扫描的结果如图2.5。

图2.5DC扫描输出端的电压变化

由于选择的尺寸较小,本次扫描结果显示的不够理想(但不影响接下来的实验结果)。

用软件中的十字坐标来确定某个输出电压所对应的输入电压值(尽量选择中间点,因为此时为允许输入摆幅最大):

图2.6静态工作点的选取

如图2.6所示当输入电压为1.088V时,Vsg=3.3-1.088=2.212V,输出电压为0.917V,Vsd=3.3-0.917=2.383V,我们就取这个偏置的情况进行讨论。

将输入电压源的电压值改为1.088V。

静态工作情况显示如下:

图2.7静态工作点参数

综上为电阻为负载的共源放大器的直流偏置情况设置和显示,交流增益的情况将在之后的改变参数的过程中进行讨论。

接下来我们讨论AC分析(交流小信号仿真),分析设置参数如图2.8所示:

图2.8AC分析的软件设置

其中ACmagnitude表示1个单位的交流小信号电压,选择1V主要是为了之后在仿真结果中更加容易的读出增益的大小。

开始和截止的频率设置为1Hz~1GHz。

运行之后的输出结果为:

图2.9AC分析的仿真结果

此时低频小信号的增益约为1.049倍。

然后用ac扫描做频谱分析(选择dB20显示)如下图:

图2.10AC扫描的频谱软件设置

取-3dB的时所对应的频率值(即带宽),得到WB(带宽)为714.66MHz。

图2.11AC扫描的幅频特性仿真带宽结果

此时的结果是否正确我们接下来使用时域瞬态仿真来验证。

首先将共源放大器的Vdc删除用Vsin信号源代替,并设置静态工作电压和幅度与频率:

图2.12时域瞬态仿真电路原理图

图2.13时域瞬态仿真参数设置

瞬态仿真结果如下:

图2.14时域瞬态仿真结果

分别选定输入和输出信号的峰峰值可以看出将1.989V的信号放大为2.0872V,放大倍数为1.049倍,与ac仿真的结论一致。

电阻为负载的共源放大器交流小信号增益的:

其中

其中为已知量,为了计算我们需要确定PMOS的跨导和小信号电阻。

DC分析保存静态工作点,然后选择Tools-ResultsBrowser:

选择OK

选择M0的静态工作点

分别找到gm和gds

计算增益值为:

,结果与仿真结果相一致。

2.3SMIC0.18um3.3V厚氧化栅工艺PMOS管电阻负载共源放大器影响因素仿真与分析

2.3.1设定电阻=165kΩ,L=10u不变,改变W

根据公式(2.6),在Ids和宽长比同时增大时,gm的值变大,由于仿真过程中Von同时变小,所以在三个因素同时作用下,宽长比增加一倍,gm的值变大1.5倍。

公式(2.7),输出电阻与Ids成正比。

仿真结果与理论结果一致。

在输出电阻大负载电阻3到4个数量级的情况下,公式(2.4)中的Rds可以忽略,所以,交流增益有晶体管的跨导和负载电阻决定,这里保持负载电阻不变,所以交流增益与晶体管的跨导成正比。

通过计算,发现它们关系不是完全线性。

对于带宽和增益带宽乘积,第一个指标与负载电容以及输出电阻成反比,这里虽然没有放置负载电容,但是由于晶体管有寄生电容,宽长比越大,寄生电容越大,导致带宽减少,同样的对于增益带宽乘积,虽然随着宽长比增大,跨导变大,但是同时寄生电容变大,导致增益带宽乘积下降。

(详细数据见表2.1)

表2.1宽长比变化对电阻负载共源放大器参数影响的仿真结果

W/L

gm

gds

Vgs

Av

WB

Ids

Vds

Av*WB

1.8/10

6.367e-6

5.279e-9

1.088

1.049

714.7M

-5.6u

-2.38

749.7M

5/10

1.334e-5

7.789e-9

1.583

2.198

223.2M

-7.65u

-2.04

490.6M

10/10

2.055e-5

8.935e-8

1.875

3.386

109.1M

-8.38u

-1.92

369.4M

20/10

3.074e-5

1.037e-8

2.096

5.063

54.6M

-8.79u

-1.85

276.4M

40/10

4.528e-5

1.232e-8

2.256

7.456

27.1M

-9.19u

-1.78

202.1M

2.3.2设定Rds=165kΩ不变,W=5u不变,改变L

公式(2.7),输出电阻与Ids成反比,与L成正比。

L变小,Ids变大时,输出电阻变大,仿真结果与理论结果一致。

对于带宽和增益带宽乘积,第一个指标与负载电容以及输出电阻成反比,这里虽然没有放置负载电容,但是由于晶体管有寄生电容,L变小,寄生电容越小,同时输出电阻变小,这两者这里变化不大,所以带宽变化也不明显,同样的对于增益带宽乘积,随着L变小,跨导变大,但是同时寄生电容变小,导致增益带宽乘积明显增加。

(详细数据见表2.2)

表2.2沟道宽度对电阻负载共源放大器参数影响的仿真结果

3.3-1.583

7.65u

2.04

5/5

2.067e-5

1.386e-8

3.3-1.875

3.403

218.6M

8.44u

1.91

743.9M

5/2.5

3.141e-5

2.525e-8

3.3-2.096

5.161

215.1M

9.01u

1.81

1110.1M

5/1.25

4.815e-5

5.059e-8

3.3-2.256

7.879

214.5M

9.60u

1.72

1690.0M

5/1

5.379e-5

5.574e-8

3.3-2.310

8.794

213.74M

9.14u

1.79

1879.6M

2.3.3设定W/L=40u/10u=4不变,=165kΩ不变,改变Vgs

根据公式(2.6),宽长比不变的情况下,gm与过驱动电压成正比,过驱动电压越小,gm越小;

gm与成正比,越大,gm越小;

在过驱动电压和Ids同时变化时,要看其变化的快慢程度进行比较。

公式(2.7),输出电阻与Ids成反比,与L成正比,Ids变大时,输出电阻变大,仿真结果与理论分析一致。

通过计算,发现它们符合这个关系。

对于带宽和增益带宽乘积,第一个指标与负载电容以及输出电阻成反比,这里虽然没有放置负载电容,但是由于晶体管尺寸不变,寄生电容不变,,所以带宽随着输出电阻变大,略微变大,同样的对于增益带宽乘积,由于晶体管尺寸不变,导致增益带宽乘积随着gm的变小而变小。

(详细数据见表2.3)

表2.3过驱动电压对电阻负载共源放大器参数影响的仿真结果

3.3-2.108

5.996e-5

5.248e-7

9.057

13.5M

-16.75u

-0.54

122.3M

3.3-2.157

5.535e-5

3.395e-8

9.081

23.9M

-14.0u

-0.99

217.0M

7.445

201.8M

3.3-2.324

3.796e-5

8.729e-9

6.235

28.2M

-6.18u

-2.28

175.8M

3.3-2.469

2.043e-5

4.050e-9

3.369

29.7M

-1.92u

-2.98

100.1M

2.3.4设定W/L=40u/10u=4不变,改变的大小

在输出电阻大负载电阻3到4个数量级的情况下,

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