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CMOS课设

2023-05-01 来源：乌哈旅游


CMOS模拟集成电路课程设计

有源电流镜差分放大器的设计

姓名：***

学号：U********* 班级：电子0705班 指导老师：***

2010年6月

目录

1. 设计要求 ............................................................................................................................................... 2. 设计过程 ............................................................................................................................................... 2.1 电路图 ............................................................................................................................................. 2.2 主要参数设计与计算 .....................................................................................................................

2.2.1 尾电流源的计算 .................................................................................................................. 2.2.2 MOS管尺寸的计算 ............................................................................................................. 2.3 MOS管尺寸的汇总 ........................................................................................................................

2.4 参数验证

2.4.1验证AV ...................................................................................................................................... 2.4.2验证CMRR .............................................................................................................................. 2.4.3验证PSRR ................................................................................................................................ 2.4.4验证SR ..................................................................................................................................... 2.4.5验证功率 ................................................................................................................................... 3. 仿真过程 ............................................................................................................................................... 3.1 仿真电路 ......................................................................................................................................... 3.2 仿真网表 ......................................................................................................................................... 3.3 仿真波形 ......................................................................................................................................... 4. 结论 ....................................................................................................................................................... 5. 心得体会 ...............................................................................................................................................

1.设计要求

课程设计项目：有源电流镜差分放大器的设计

基本目标：

设计一个有源电流镜作为负载，输入管为NMOS的差动输入到单端输出的放大器，要求尽可能满足下列要求。不要求设计偏置电流电路，可以用3uA的恒流源替代。

0.35um Psub Twin-Well CMOS Process AV >80 工艺 VDD VSS PD CL 3.3V 0V 越小越好 7pF CMRR PSRR VODC Slew Rate >35dB >40dB 1.6V （VIDC=1.6V） >1V/us 设计要求：

（1） 给出满足题目要求的电路图

（2） 根据设计目标，计算各MOS管的尺寸

（3） 利用Hspice对电路进行仿真，仿真内容包括：直流输入范围、直流输出范围、交流

小信号增益、共模抑制比、电源抑制比、功耗。

（4） 对结果进行分析

（5） 比较各项指标，完成下表 工艺 VODC PD AV CMRR PSRR 设计指标 1.6V （VIDC=1.6V） <33uW >80 >35dB >40dB 计算值 仿真值 是否达到指标 报告要求：

第一部分：题目要求 第二部分：设计过程

（1） 电路图

（2） 详细的计算过程 （3） MOS管尺寸汇总表 （4） 讨论 第三部分：仿真过程

（1） 仿真电路图 （2） 电路网表

（3） 直流分析（每一种仿真的电路图、激励、仿真波形、结果分析） （4） 交流分析（每一种仿真的电路图、激励、仿真波形、结果分析） 第四部分：结论

完成各项指标的设计指标、计算值和仿真值的比较。给出设计结论。 第五部分：心得体会

2.设计过程

2.1电路图

图一、有源电流镜差分放大器的电路图

2.2主要参数设计与计算

2.2.1尾电流源的确定

转换速率SR和尾电流源Iss的关系为：

ISS=CLSR

由于CL>7pF和SR>1V/us，则Iss>7uA

电路的总功率为电压源和电流源的功率之和，即：

PD=PV+PI

电压源的功率为：

Pv=VDD(ISS+IREF)

电流源的功率为：

PI=-(VDD-VGS6)IREF

总功率为：

PD=VDD(ISS+IREF)-(VDD-VGS6)IREF

由于VDD=3.3V，IREF=3uA，并假设VGS6=0.8V，则ISS<9.27A 综合两个条件，可以选择ISS=7.5A

2.2.2MOS管尺寸的确定

对于本设计中采用的CMOS_035_Spice_Model.lib中已知的参数如下表

表一、0.35um工艺库的相关参数

NMOS管 PMOS管 unCox=1.9710-4 VTHN=0.6007V upCox=8.8810-5 VTHP=-0.8019V n=0.1(L=0.63um) p=0.2(L=0.63um) 在计算过程中，为了达到增益要求，近似取n=0.01(L=6.3u)，p=0.02(L=6.3u)。

先确定M1和M2管尺寸 由于AV>80

AV=gm1(ro1//ro3)=unCox(则

又由于 ISS=7.5uA

22W)1Iss*(||)80

nIsspIssLW)10.055 L由于MOS管的过驱动电压一般为0.2V，此处不妨取Vod1=0.3V

则 (由于

1W1unCoxVod12=ISS2L2

(W)10.423 能够满足增益要求

则 L由于对称性，(W)20.423 L

再确定M3和M4管尺寸

由于当Vin,cm=1.6V时，Vout,DC=1.6V

则 VDD-VSG3=1.6V, VSG3=1.7V 又由于

W)30.104则 L

W()40.104由于对称性，L

(

最后确定M5和M6管尺寸

1W1upCox(VGS3-VTH)2=ISS2L2

由于M5和M6管没有较好的设计指标作为切入点，这里不妨取Vod5=Vod6=0.3V来计算它们尺寸。

1W1WunCoxVod52=ISSunCoxVod62=IREFLL由 2 和 2可得

(

WW)50.846 ()60.338 LL2.3 MOS管尺寸汇总

表二、MOS管尺寸汇总表

名称 M1、M2 M3、M4 M5 M6 类型 NMOS PMOS NMOS NMOS W/L 2.665um/6.3um 0.655um/6.3um 5.330um/6.3um 2.129um/6.3um 2.4 参数验证

2.4.1 验证AV

带有源电流镜的差分放大器的增益为：

AV=gm1(ro1//ro3)

其中：

gm1=unCox(W)1Iss1.971040.4237.51062.50105A/V Lro1=622=26.6710 nIss0.017.5106622ro3=13.3310

pIss0.027.5106所以：

AV=gm1(ro1//ro3)=2.501058.89106222.25

2.4.2 验证CMRR

带有源电流镜的差分放大器的共模抑制比为：

CMRR=其中：

ADM(12gm1Rss)gm3(ro1//ro3) ACM6113.3310 nIssRss=gm3upCox(56W)3Iss8.881050.1047.5100.83210A/V L

所以：

CMRR(12gm1Rss)gm3(ro1ro3)=(1+22.501013.3310)0.832108.89104937220logCMRR=20log4937293.87dB

2.4.3 验证PSRR

带有源电流镜的差分放大器的电源抑制比为

5656PSRRgm1(ro1//ro3)222.2520logPSRR=46.94dB

2.4.4验证SR

6ISS7.510 SR=121.5V/usCload5.010

2.4.5验证PD

电路的总功率为电压源和电流源的功率之和，即：

PD=PV+PI

电压源的功率为：

Pv=VDD(ISS+IREF)=3.3V(7.53)uA=34.65uW

电流源的功率为：

PI=-VIIREF=-(VDD-VGS6)IREF=-(3.3-0.9)V3uA=-7.2uW

总功率为：

PD=PV+PI=34.65-7.2=27.45uW

3.仿真过程

3.1 仿真电路图

3.1.1 共模输入范围测量电路

+-VCMout

图二、共模输入范围的测量电路

3.1.2 输出电压摆幅测量电路

＋out9MVIN＋－－1M＋－VCM

图三、输出电压摆幅测量电路

3.1.3 增益AV测量电路

VIN++VIN--outVCM

图四、增益AV测量电路

3.1.4 共模抑制比CMRR测量电路

__VIN-++V2V1out＋－VIN+VCM

图五、共模抑制比CMRR测量电路

3.1.5 电源抑制比PSRR测量电路

VddVDD+-VCMout

图六、电源抑制比PSRR测量电路

3.1.6 压摆率SR测量电路

+-out

图七、压摆率SR测量电路

3.2仿真网表

3.2.1共模输入范围仿真网表 *cmos

.lib 'C:\\CMOS_035_Spice_Model.lib'tt .options post

M1 1 IN 3 0 N_33 W=2.665u L=6.3u M2 2 IN 3 0 N_33 W=2.665u L=6.3u M3 1 1 5 5 P_33 W=0.655u L=6.3u M4 2 1 5 5 P_33 W=0.655u L=6.3u M5 3 4 0 0 N_33 W=5.330u L=6.3u M6 4 4 0 0 N_33 W=2.129u L=6.3u

VDD 5 0 DC=3.3V IREF 5 4 DC=3uA

CL 2 0 7pF

VCM IN 0

.DC VCM 0 3.3 0.01 .PLOT DC I(M1) V(3) .op .end

3.2.2输出电压摆幅仿真网表 *cmos

.lib 'C:\\CMOS_035_Spice_Model.lib'tt .options post

M1 1 IN+ 3 0 N_33 W=2.665u L=6.3u M2 2 IN- 3 0 N_33 W=2.665u L=6.3u M3 1 1 5 5 P_33 W=0.655u L=6.3u M4 2 1 5 5 P_33 W=0.655u L=6.3u M5 3 4 0 0 N_33 W=5.330u L=6.3u M6 4 4 0 0 N_33 W=2.129u L=6.3u

VDD 5 0 DC=3.3V IREF 5 4 DC=3uA

CL 2 0 7pF

VIN IN+ 0

VCM M 0 DC=1.6V

R1 IN- M 1000k R2 IN- 2 9000k

.DC VIN 0 3.3 0.01 .PLOT DC V(2) .op .end

3.2.3增益AV仿真网表 *cmos

.lib 'C:\\CMOS_035_Spice_Model.lib'tt .options post

M1 1 IN+ 3 0 N_33 W=2.665u L=6.3u M2 2 IN- 3 0 N_33 W=2.665u L=6.3u M3 1 1 5 5 P_33 W=0.655u L=6.3u M4 2 1 5 5 P_33 W=0.655u L=6.3u M5 3 4 0 0 N_33 W=5.330u L=6.3u M6 4 4 0 0 N_33 W=2.129u L=6.3u

VDD 5 0 DC=3.3V IREF 5 4 DC=3uA

CL 2 0 7pF

VCM M 0 DC=1.6V VIN+ IN+ M AC=0.5V VIN- M IN- AC=0.5V

.AC DEC 10 0 10MEG .PLOT AC V(2) .op .end

3.2.4 共模抑制比CMRR仿真网表 *cmos

.lib 'C:\\CMOS_035_Spice_Model.lib'tt .options post

.OPTION INGOLD=2 CSDF=2

M1 1 IN+ 3 0 N_33 W=2.665u L=6.3u M2 2 IN- 3 0 N_33 W=2.665u L=6.3u M3 1 1 5 5 P_33 W=0.655u L=6.3u M4 2 1 5 5 P_33 W=0.655u L=6.3u M5 3 4 0 0 N_33 W=5.330u L=6.3u M6 4 4 0 0 N_33 W=2.129u L=6.3u

VDD 5 0 DC=3.3V IREF 5 4 DC=3uA

VCM M 0 DC=1.6V VIN+ IN+ M AC=1V VIN- IN- 2 AC=1V

.AC DEC 10 0 100MEG .PLOT AC VDB(2) .op .end

3.2.5电源抑制比PSRR仿真网表 *cmos

.lib 'C:\\CMOS_035_Spice_Model.lib'tt .options post

.OPTIONS INGOLD=2 CSDF=2

M1 1 IN+ 3 0 N_33 W=2.665u L=6.3u M2 2 2 3 0 N_33 W=2.665u L=6.3u M3 1 1 5 5 P_33 W=0.655u L=6.3u M4 2 1 5 5 P_33 W=0.655u L=6.3u M5 3 4 0 0 N_33 W=5.330u L=6.3u M6 4 4 0 0 N_33 W=2.129u L=6.3u

VDD 5 0 DC=3.3V AC=1V IREF 5 4 DC=3uA

VCM IN+ 0 DC=1.6V

.AC DEC 10 0 100MEG .PLOT AC VDB(2) .op .end

3.2.6 压摆率SR仿真网表 *cmos

.lib 'C:\\CMOS_035_Spice_Model.lib'tt .options post

M1 1 IN+ 3 0 N_33 W=2.655u L=6.3u M2 2 2 3 0 N_33 W=2.655u L=6.3u M3 1 1 5 5 P_33 W=0.655u L=6.3u M4 2 1 5 5 P_33 W=0.655u L=6.3u

M5 3 4 0 0 N_33 W=5.330u L=6.3u M6 4 4 0 0 N_33 W=2.129u L=6.3u

VDD 5 0 DC=3.3V IREF 5 4 DC=3UA

CL 2 0 7pF

Vin IN+ 0 pwl(0 0 1u 0 1.1u 3.3 8u 3.3 8.1u 0)

.tran 0.1n 15u .PLOT VDB(2) .end

3.3 仿真波形

3.3.1共模输入范围仿真波形

图八、共模输入范围仿真波形

要使M1管处于饱和区，则I（M1）保持恒定，必须满足VIN>1.40V。要使M5管处于饱和区，则V（2）和VIN保持线性关系，必须满足VIN<2.20V。这样，共模输入范围为1.40V—2.20V。

3.3.2输出电压摆幅仿真波形

图九、输出电压摆幅仿真波形

只有当所有MOS管处于饱和区时，增益才能最大，即曲线的斜率最大，必须满足0.80V3.3.3增益AV仿真波形

图十、增益AV仿真波形 增益为AV=154。

3.3.4 共模抑制比CMRR仿真波形

图十一、共模抑制比CMRR仿真波形 共模抑制比为54.1。

3.3.5电源抑制比PSRR仿真波形

图十二、电源抑制比PSRR仿真波形 电源抑制比为42.1。

3.3.6 压摆率SR仿真波形

图十三、压摆率SR仿真波形

压摆率为1.01V/us。

3.3.7 功耗仿真结果

total voltage source power dissipation= 33.8241u watts total current source power dissipation= -7.1010u watts

总功耗为 PD=33.8241u-7.1010u=26.7231u watts

4.结论

工艺 VODC PD AV CMRR PSRR

设计指标 1.6V （VIDC=1.6V） <33uW >80 >35dB >40dB 计算值 1.6V 27.45 222.25 93.87 46.94 仿真值 1.62 26.7231 154 54.1 42.1 是否达到指标 是 是 是 是 是 讨论：

由表可得，所有的设计指标都能够实现，其中VODC，PD，PSRR三项的计算值和仿真值相差较小，但是AV，CMRR两项的计算值和仿真值相差较大。通过分析发现主要原因有以下几点：

-5-41、计算时我选用0.35um工艺库的相关参数unCox=1.9710，upCox=8.8810，

VTHN=0.6007V，

VTHP=-0.8019V，n=0.01(L=6.3u)，p=0.02(L=6.3u)，而这些参数只

是经验参数，实际参数与经验参数存在较大的差别。通过对MOS管的特性曲线进行仿真可以得到较为准确的参数，而用仿真得到的参数进行计算可以发现计算值和仿真值相差不大。 2.、为了简化计算过程，我在计算时忽略了衬偏效应和沟道长度调制效应，仅采用了MOS管的一级模型，而在仿真的过程中，软件考虑了这些效应，并采用了MOS的49级模型，这将导致计算值和仿真值存在较大的差别。

5.心得体会

通过这次课程设计，我受益匪浅。主要表现为以下几点：

1、在CMOS的理论课程学习中，我们深入地学习了各种分析方法，但是一直苦于无法将所学运用到实践中。这次课程为我们提供了一个很好的平台，让我们能够充分地将理论运用到实践中。在这个过程中，我们能够更加深入地理解这些理论。尤其对于模拟电路设计中的各种折衷关系，只有在真正的设计实践中才能有足够深刻地认识。

2、作为一名对模拟电路有较为浓厚兴趣的学生，自己非常乐于投入到模拟电路设计这样一种课程实践中，自己也投入较多的时间和精力到其中。在这个过程中自己学到了很多知识，比如能够较好地使用Hspice软件进行仿真，能够书写简单的网表文件，能够运用visio绘制电路图，能够熟练运用公式编辑器等等，这些都是我在这次课程设计中的收获。

3、这次课程设计让我初步了解了一名模拟工程师所做的一些事情，可能会引导我将来从事模拟电路设计这个行业。

4、在这次课程设计中，我遇到了很多的困难和挫折，比如第一次设计的参数无法满足设计指标，但是我最终都成功解决了这些问题。这个过程锻炼了我冷静分析问题的能力和独立解决问题的能力，当然也对我的耐心进行了较大的考验。

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