单级CMOS放大电路的设计与仿真课程设计Word下载.docx
《单级CMOS放大电路的设计与仿真课程设计Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单级CMOS放大电路的设计与仿真课程设计Word下载.docx（16页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
1.引言
金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）的概念来源于J.E.Lilienfeld于1930年申请的专利，这早于双极型晶体管的发明。
然而由于制造技术的限制，MOS技术走向实用的时间比较晚，在20世纪60年代初期，早期的几代产品是n型的。
20世纪60年代中期发明的互补MOS（CMOS）器件（即同时采用n型和p型晶体管），引起了半导体工业的一场革命。
CMOS技术很快地占领了数字市场，CMOS门只在开关期间消耗功率以及只需很少的元件。
这也是它与相应的双极型或GaAs电路相比所具有的两个显著特点。
此外，人们很快发现，与其它类型的晶体管相比，MOS器件的尺寸很容易按比例缩小。
而且，CMOS电路被证明具有比较低的制造成本。
紧接着，CMOS技术应用于模拟电路设计，如下章将介绍的放大电路中[1]。
放大现象存在于各种场合，例如，利用放大镜放大微小物体，这是光学中的放大；
利用杠杆原理用小力移动物体，这是力学中的放大；
利用变压器将低电压变换成高电压，这是电学中的放大。
研究它们的共同特点，一是都将原物形状或大小的差异按一定比例放大了，二是放大前后能量守恒，例如，杠杆原理中前后端做功相同，理想变压器的原、副边功率相同等[2]。
利用扩音机放大声音，是电子学中的放大，话筒（传感器）将微弱的声音转换成电信号，经放大电路放大成足够强的电信号后，驱动扬声器（执行机构），使其发出较原来强得多的声音这种放大与上述放大的相同之处是放大的对象均为变化量（差异），不同之处在于扬声器所获得的能量（或输出功率）远大于话筒送出的能量（或输入功率）。
放大电路放大的本质是能量的控制和转换；
是在输入信号作用下，通过放大电路将直流电源的能量转换成负载所或得的能量，使负载从电源获得的能量大于信号源所提供的能量。
因此，电子电路放大的基本特征是功率放大，即负载上总是获得比输入信号大的多的电压或电流，有时兼而有之。
能够控制能量的原件称为有源元件，因而在放大电路中必须存在有源元件，如晶体管和场效应管等。
[2]
放大的前提是不失真，即只有在不失真的情况下放大才有意义。
晶体管和场效应管是放大电路的核心元件，只有它们工作在合适的区域（晶体管工作在放大区、场效应管工作在恒流区），才能使输出量与输入量始终保持线性关系，即电路才不会产生失真。
[3]
由于任何稳态信号都可分解为若干频率正弦信号的叠加，所以放大电路常以正弦波作为测试信号。
在大多数模拟电路和许多数字电路中，放大时一个基本的功能。
我们放大一个模拟或数字信号是因为这个信号太小而不能驱动负载，不能克服后继的噪声或者是不能为数字电路提供逻辑电平。
放大器的输入输出特性通常是一个在一定信号范围内可以用一个多项式来近似描述的非线性函数：
输入和输出可以是电流值也可以是电压值[1]。
在组成放大电路时必须遵循的原则：
必须根据所用放大管的类型提供直流电
源，以便设置合适的静态工作点，并作为输出的能源；
电阻取值得当，与电源配合，使放大管有合适的静态工作电流；
输入信号必须能够作用于放大管的输入回路；
当负载接入时，必须保证放大管输出回路的动态电流能够作用于负载，从而使负载获得比输入信号大得多的信号电流或信号电压[3]。
放大器性能的重要参数：
除增益和速度之外，还有功耗、电源电压、线性度、噪声和最大电压摆幅等参数也是重要的。
更进一步，输入输出阻抗决定电路该如何与前级和后级互相配合。
在实际中，这些参数中的大多数都会互相牵制，这将导致设计变成一个多维优化的问题[4]。
MOS管输入电阻极高，即成功易简单，抗辐射能力强，MOS集成电路密度比双极型的密度高大的多，而功耗却低的多。
因此，自80年代以来，大规模MOS集成电路发展非常迅速。
特别是集成密度高、功耗小、适用多层布线的独特优点，使MOS集成电路在当代大规模、超大规模集成电路中占主流地位。
与双极型模拟集成电路类似，MOS模拟集成电路和系统也是由一些基本单元电路组成的。
常用的基本单元有：
单级放大电路、电流源电路、差动放大电路、输出级电路及模拟开关等[5]。
PSPICE软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成图表，模拟和计算电路。
它的用途非常广泛，不仅可以用于电路分析和优化设计，还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。
与印制版设计软件配合使用，还可实现电子设计自动化。
被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件，具有广阔的应用前景。
这些特点使得PSPICE受到广大电子设计工作者、科研人员和高校师生的热烈欢迎，国内许多高校已将其列入电子类本科生和硕士生的辅修课程[6]。
在PSPICE中，对元件参数的修改很容易，它只需存一次盘、创建一次连接表，就可以实现一个复杂电路的仿真。
如果用Protel等软件进行参数修改仿真，则过程十分繁琐。
在改变一个参数时，哪怕是一个电阻阻值的大小都需要重新建立网络表的连接，设置其他参数更为复杂[6]。
在PSPICE内集成了许多仿真功能，如：
直流分析、交流分析、噪声分析、温度分析等，用户只需在所要观察的节点放置电压（电流）探针，就可以在仿真结果图中观察到其“电压（或电流）-时间图”。
而且该软件还集成了诸多数学运算，不仅为用户提供了加、减、乘、除等基本的数学运算，还提供了正弦、余弦、绝对值、对数、指数等基本的函数运算，这些都是其他软件所无法比拟的[7]。
PSPICE是计算机辅助分析设计中的电路模拟软件。
它主要用于所设计的电路硬件实现之前，先对电路进行模拟分析，就如同对所设计的电路用各种仪器进行组装、调试和测试一样，这些工作完全由计算机来完成。
用户根据要求来设置不同的参数，计算机就像扫描仪一样，分析电路的频率响应，像示波器一样，测试电路的瞬态响应，还可以对电路进行交直流分析、噪声分析、MonteCarlo统计分析、最坏情况分析等，使用户的设计达到最优效果。
以往一个新产品的研制过程需要经过工程估算，试验板搭试、调整，印刷板排版与制作，装配与调试，性能测试，测试指标不合格，再从调整开始循环，直至指标合格为止[8]。
这样往往需要反复实验和修改。
而仿真技术可将“实验”与“修改”合二为一。
为确定元件参数提供了科学的依据。
它的优点主要有：
（1）为电路设计人员节省了大量的时间。
（2）节省了各种仪器设备。
（3）生产产品一致性好、可靠性高。
（4）产品的更新率高、新产品投放市场快等[9]。
本文将计算单级CMOS放大电路的基本特征，对其进行直流分析、瞬态分析、傅里叶分析，并用Pspice软件进行设计和仿真。
2.单级CMOS放大电路的设计
2.1CMOS管介绍
CMOS，全称ComplementaryMetalOxideSemiconductor，即互补金属氧化物半导体，是一种大规模应用于集成电路芯片制造的原料。
采用CMOS技术可以将成对的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）集成在一块硅片上。
该技术通常用于生产RAM和交换应用系统，在计算机领域里通常指保存计算机基本启动信息（如日期、时间、启动设置等）的ROM芯片。
CMOS由PMOS管和NMOS管共同构成，它的特点是低功耗。
由于CMOS中一对MOS组成的门电路在瞬间要么PMOS导通、要么NMOS导通、要么都截至，比线性的三极管（BJT）效率要高得多，因此功耗很低。
现在越来越多的电子电路都在使用场效应管，特别是在音响领域更是如此，场效应管与晶体管不同，它是一种电压控制器件，其特性更像电子管，它具有很高的输入阻抗，较大的功率增益，由于是电压控制器件，所以噪声小。
2.2MOS特性分析
1.MOS管种类和结构
MOSFET管是FET管的一种，可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道4种类型，但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管，所以通常提到NMOS或者PMOS指的就是这两种。
MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的。
MOS管中，漏极和源极之间有一个寄生二极管，叫体二极管，只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。
2.MOS管导通特性
导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。
NMOS的特性，
大于一定能够的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。
PMOS的特性，
小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC的情况（高端驱动）。
但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格高，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常使用NMOS。
3.管开关损失
不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。
MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。
MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流由一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失时电压和电流的乘积，叫做开关损失。
导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。
缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失，降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。
这两种办法都可以减小开关损失。
4.MOS管应用电路
MOS管最显著的特性是开关特性好，所以被广泛应用在需要电子开关的电路中，常见的如开关电源和马达驱动，也有照明调光。
现在的MOS驱动的需求有，低压应用，宽电压应用，双电压应用。
2.3单级CMOS放大电路的设计原理
由NMOS管和PMOS管组成的互补放大电路称为CMOS放大电路。
它具有电压增益高，输出电压变化范围宽等特点。
原理图如下1
图1.单级CMOS放大电路原理图
3.原理图的绘制以及电路的仿真
3.1软件概述
本文中利用的是Pspice（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）进行仿真。
Pspice是美国MicroSim公司于20世纪80年代开发的电路模拟软件。
它以图形方式输入，自动进行电路检测，生成网表文件，具有模拟和计算电路的功能。
[4]它不仅可以用于电路分析和优化设计，还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。
它是一个多功能的电路模拟试验平台，PSPICE软件由于收敛性好，适于做系统及电路级仿真，具有快速、准确的仿真能力。
本文将对有源负载CE放大电路进行直流工作点分析、傅里叶分析、暂态分析、温度分析等。
3.2原理图的绘制
运行Pspice软件后根据上文中的原理图绘制仿真电路如下图2所示：
图2.单级CMOS放大电路的原理仿真图
其中包含两个NMOS管和两个PMOS管，各节点的电压如图所示。
3.3直流工作点的分析
图3.单级CMOS放大电路直流工作点分析图
直流工作点的分析是在电路中电感短路，电容开路的情况下计算电路的静态工作点，以决定MOS管等的小信号线性化模型参数值。
而进行直流分析也是进行瞬态分析的基础。
对该电路进行直流分析后各节点的电压，电流以及功耗的值如上图3所示。
分析后电路的输出网表大致如下：
sourceA
M_M34455MbreakP
M_M46455MbreakP
R_Rs23200
V_V121AC1
V_V2102Vdc
V_V35010Vdc
M_M14400MbreakN
M_M26300MbreakN
MbreakPMbreakN
PMOSNMOS
LEVEL11
L100.000000E-06100.000000E-06
W100.000000E-06100.000000E-06
VTO00
KP20.000000E-0620.000000E-06
GAMMA00
PHI.6.6
LAMBDA00
IS10.000000E-1510.000000E-15
JS00
PB.8.8
PBSW.8.8
CJ00
CJSW00
CGSO00
CGDO00
CGBO00
TOX00
XJ00
UCRIT10.000000E+0310.000000E+03
DIOMOD11
VFB00
LETA00
WETA00
U000
TEMP00
VDD00
XPART00
NODEVOLTAGENODEVOLTAGENODEVOLTAGENODEVOLTAGE
（1）2.0000
（2）2.0000（3）2.0000（4）5.0000
（5）10.0000（6）9.5826
VOLTAGESOURCECURRENTS
NAMECURRENT
V_V10.000E+00
V_V20.000E+00
V_V3-2.900E-04
TOTALPOWERDISSIPATION2.90E-03WATTS
JOBCONCLUDED
TOTALJOBTIME.08
然后对电路进行直流扫描分析，对各个参数适当的设置，确定其变化范围。
得到如下图4所示的波形:
图4.对电路直流扫描波形图
从图中曲线可以看出，当
时，M1截止，M2工作在可变电阻区，（
=0，
=0），输出电压
=V（6）=10V；
当1V<
<
1.91V是，曲线弯曲，
=V（6）缓慢下降，该区域内，M1工作在饱和区，但电流
=
较小，M2仍工作在可变电阻区；
当1.91V≤
≤2.09V时，M1，M2两管同时工作在饱和区，v0=V（6）随
的增加线性下降，曲线较陡，该区域是线性放大区；
当
>
1.91V后，M1进入可变电阻区（M2工作在饱和区），因而曲线随VGG的增加而缓慢地下降。
很明显，为了使电路具有良好的线性放大作用，输出电压v0应限定在7.8V-1.0V之间变化，即工作在上述线性放大区内。
3.4动态性能指标的测试
１．瞬态分析：
对电路进行瞬态分析，即求电路的时域响应，故称为时域扫描。
可以在给定激励信号的情况下，求电路输出的时间响应，延迟特性。
也可以在没有任何激励的情况下，仅依电路存储的能量作用，求的振荡波形，振荡周期等。
对动态电路描述的一般形式是将电路等价为一个非线性微分方程组，再将非线性微分方程组转化为非线性代数方程组，然后用牛顿迭代法求解。
在对非线性电路进行瞬态分析时，每求一个离散值，相当于求解一个线性代数方程组。
在瞬态分析中，输入激励信号的波形可以才采用脉冲信号，分段线性信号，正弦调幅信号等五种不同的波形。
该电路进行瞬态分析后的波形图如下图5：
图5.单级CMOS放大电路瞬态分析图
图中的两条曲线分别的是输出电压和输入电压的波形。
从图中可以看出信号源的波形变化是正弦变化，而输出电压的波形有微小的失真。
2.傅里叶分析:
对于大信号正弦模拟时，对输出波形进行傅里叶分析，从而得到频域的傅里叶系数，因为从数学角度看，任何周期函数皆可分解为傅里叶级数。
而Pspice能在大信号作用下，在指定的基本频率上对输出波形的傅里叶分析，从而得到指定频率范围的傅里叶系数，它和瞬态分析是同时进行的。
对该电路进行傅里叶分析得到如下图6的结果：
图6.傅里叶分析图
从图中可以看出输入输出都按照正弦曲线变化。
3.5仿真结果
经过上面的直流分析和瞬态分析以及傅里叶分析可以得出该电路的输出结果与设计所要求的结果基本吻合，符合预期的结果。
虽然输出有一些微笑的误差，但都是允许的。
在所得的仿真结果中除增益和速度之外，还有功耗，电源电压，线性度，噪声和最大电压摆幅等参数尤为重要。
从中可以看出由NMOS管和PMOS管组成的CMOS单级放大电路符合输出电压增益高，和电压摆幅变化范围大的特点。
3.6测量结果以及误差分析：
通过上面的仿真可以看出设计符合预期效果，产生偏差的主要原因有：
1.测量人员的读数误差；
2.元器件本身参数的示值误差；
3.工程近似计算式引入的理论计算误差。
4.软件本身的原因所导致的误差。
4.问题的分析与研究
从单级CMOS放大电路的设计过程中我们可以看出该电路所示的电压增益
的值，其中M2和M4两个管子的输出电阻与静态工作电流有关系，若电流越小，其阻值越大。
M2管的跨导与它的宽长比成正比。
因此适当的减小工作电流，增大M2管的宽长比可以提高电压增益。
这也是我们在整个设计过程中要注意的问题，注意调整从而使电路的输出结果更加精确。
5.心得体会与总结
在这次课程设计中，通过对电路的分析和仿真，使我对课题的知识得到了充足的理解和认识，同时对Pspice软件强大的功能和特点有了很大了解和操作能力。
不过也遇到了很多困难，通过与同学讨论、查阅资料等多方路径很多问题得以解决，不过也遗留了一些问题，希望在以后的学习中能知道答案。
其次，在本次课程设计中，我运用到了以前所学的大量专业知识，虽然在过去从未独立的应用过它们，但是在学习过程中，带着问题去学习，我发现效率更高，这是我在本次课程设计过程中的又一大收获。
从课程设计中得到：
要想搞好一个课程设计，就必须做到在设计之前，要对设计过程中所应用到的软件、资料等有一个系统的了解，要有一个清晰的思路和一个完善的软件思路图；
在设计过程中，不要妄想一次就将整个程序设计好，要反复修改、不断改进是程序设计的必经之路。
在一个程序的设计过程当中遇到问题是很正常的，但是我们应该把每次遇到的问题记录下来，并分析清楚，以免下次再碰到同样的问题。
发现、提出、分析、解决问题和实践能力的提高都会受益于我在以后的学习、工作和生活中。
通过这次课程设计，我发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。
本次课程设计是从理论到实践的一种升华，使我认识到只有通过仿真验证，证实了某种设计的正确性，才可以进入实物的制作阶段，在各部分设计和仿真的过程中，一定要有认真扎实的态度，千万不能盲目，不能投机取巧，这样可以节省大量的制作成本，减少不必要的浪费。
还有，在以后的学习和工作中，一定要抓住学习和实践相结合，要多学多用。
6.致谢
首先我们由衷感谢唐明华老师提供给我们这样一个锻炼自己的机会，让我们第一次感受到学来的知识不只是用来完成试卷的，能够独立地完成一个课程设计，并在这个过程当中，给予我们各种方便，使我们能够将学到的知识应用到实践中，增强了我们实践操作和理论知识相结合的能力，提高了独立思考的能力。
参考文献
[1]<
美>
毕查德.拉扎维.模拟CMOS集成电路设计[M].西安：
西安交通大学出版社，40-45
[2]童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第三版）[M].北京：
高等教育出版社，2001年，74-80
[3]朱定华，吴建新，饶志强.模拟电子技术[M].北京：
清华大学出版社，2005年，32-40
[4]ChershiungTsai,MingyuanGuo.AVHFoscillatordesignbasedonBJTactiveloaddifferentialamplifier[J].IEEEConferenceonElectronDevicesandSolid-StateCircuits-EDSSC.2007.907-913
[5]PavlovicV.D,DjordjevicS.D.Anovelstructureofthefullydifferentialcmosamplifierwithsymmetricactiveload[J].InternationalJournalofElectronics.2009.04.340-349
[6]OzcanS,KuntmanH.Anewmethodaimedatreducingharmonicdistortioninactive-loaderBJTamplifiers[J].Microelectronics.Journa
升级会员 