运算放大器电路的设计IC课程设计报告.doc

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1、摘 要本次课程设计的主要目的在于能够熟练的理解电路，并掌握对电路原理图进行小信号等效，通过等效小信号电路图进行理论计算公式的推导。本题运算放大器的设计方法为：先分析电路结构，运用小信号等效电路图推算出放大系数Av，相角裕度Phase的计算公式，通过题目给定的限定条件和推算出的公式计算出管子的尺寸大小，然后运用hspice仿真，若仿真结果相差太大，则对整个电路图重新进行分析和计算，若仿真结果与期望值略有偏差，则对管子尺寸大小或者电流分配进行微小调节，直到仿真结果满足要求为止。关键字：pmos、nmos、单管放大系数、单位增益带宽、静态特性、频率特性、HspiceAbstract The main

2、 purpose of this course design is to the understand the circuit skillfully, and to master the skill to change circuit principle diagram into small signal equivalent, deducing the theoretical formula by understanding the small signal equivalent Ontology of operational amplifier design method is: firs

3、t ,analysis of the circuit structure, calculating Av amplification coefficient tor Phase margin by using the small signal equivalent circuit diagram. calculating the size of the pipe sizethrough the topic about the limited conditions and the formulas, then use hspice simulation. if theres a huge dif

4、ference between the simulation results,then calculate the circuit again. if there is a little deviation between results of simulation and expectations, make small adjustment on pipe size or current distribution until the simulation results meet the requirements.Key Words：pmos、nmos、Single tube amplif

5、ication coefficient、unity-gain bandwidth、static characteristics、frequency characteristic、Hspice 目录摘 要.IAbstract.II一、 设计目标（题目） 1二、相关背景知识22.1、mos管2 2.1.1、直流参数2 2.1.2、交流小信号参数 2 2.1.3、相关公式 .22.2 、差分式放大器 3三、电路结构43.1、电路描述43.2、静态特性 53.3、动态特性 6四、设计过程84.1、NMOS的特性仿真及参数推导 84.2、PMOS的特性仿真及参数推导 94.3、二级运算放大器参数推导 1

6、04.4、二级运算放大器仿真及参数调整 11 4.4.1、电路原理图 11 4.4.2、计算初值仿真网表及说明11 4.4.3、参数调整仿真网表及说明12 4.4.4、网表生成.lis文件内容分析 13 4.4.4.1、静态仿真结果输出分析 13 4.4.4.2、动态特性仿真结果分析134.4.5、仿真图形分析 14 4.4.5.1、频率特性仿真图14 4.4.5.2、输入、输出波形仿真15五、 总结16 5.1、个人心得16 5.2、课设碰到的主要疑问以及自己个人对问题的理解18六、 参考文献20七、附录20分工 2020一、 设计目标（题目）Caculate the Av of this

7、apmolifier助教额外附加电路指标要求： Hspice library 0.35um Av=60db； I8ua Phase margzh45 . 二、 相关背景知识 2.1 mos管Mosfet作为信号放大时，其输入的信号一般为交流信号，即随时间而变化的电信号，这是器件的特性将因信号变化的大小及快慢而不同，有低频、高频之分。单个mosfet的主要参数包括：2.1.1 直流参数 开启电压Vt：即当Vds为某一固定值使Id等于一微小电流时，栅源间 电压。 2.1.2 交流小信号参数 PMOS、NMOS的栅跨导：越大，说明器件的放大能力越强，可 通过设计宽长比大的图形结构来提高跨导。 小信号

8、电阻：说明了Vds对Id的影响，是输出特性在某一点上 切线斜率的倒数。2.1.3 相关公式 电流公式：【nmos】 【pmos】 MOS管等效电阻公式：=1/ gds =1/（mos管要工作于饱和区） gds= 2.2 差分式放大器差分式放大器是由两个各项参数都相同的三端器件（包括BJT、FET）所组成的差分式放大电路，并在两器件下端公共接点处连接一电流源。差分式又分为差模和共模信号：输入电压Vid为Vi1和Vi2的差成为共模电压；另外，若输入电压Vic为VI1和Vi2的算术平方根，则称为共模电压。当输入电压是共模形式时，即在两个输入端各加入相同的信号电压，在差分放大电路中，无论是温度变化，还

9、是电源波动引起的变化，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号，两输出端输出的共模电压相同，故双端输出时输出电压为零；当输入电压是差模形式时，即在电路的两个输入端各加一个大小相等、极性相反的信号电压，一管电流将增加，另一管电流则减小，所以在两输出端间有信号电压输出。而差分放大器正是利用共模输入的特点来克服噪声信号和零点漂移的。此题要求用双端差模信号输入，单端输出，相应的计算公式如下：1. 差模输入电压：2. 共模输入电压：3. 差模输出电压：4. 共模输出电压：5. 双端输入单端输出的差模电压增益： 6. 双端输入单端输出的等效栅跨导： 7. 双端输入单端输出的等效输出电阻： 8. 带宽公式：9

10、. 增益带宽积：三、 电路结构 CMOS二级运算放大器如图1所示。主要包括三部分：偏置电路，第一级放大电路，第二级放大电路。 图1 两级运放电路图3.1电路描述 输入级放大电路由，组成。和组成差分输入对，差分输入对与单端输相比可以有效抑制共模信号干扰；和电流镜为有源负载；为第一级提供恒定偏置电流。 输出级放大电路由和组成。为共源放大器，为其提供恒定偏置电流同时作为第二级输出负载，用于对相位进行C密勒补偿。为了便于理解，可将电路以如下方式理解，和为第一级差分输入跨导级，将差分输入电压转换为差分输入电流。和为第一级负载，将差模电流恢复为差模电压。为第二级跨导级，将差分电压信号转换为电流，而再将此电

11、流转换为电压输出。3.2静态特性 在静态条件下，该电路的等效电路图可看作图2所示电路。 图2 静态特性等效电路图中每一级都是互导放大器，由于第一级差分输入对管和相同，有表示第一级输出电阻，其值为则第一级电压增益为对第二级，有第二级的电压增益为故总的开环直流电压增益为3.3动态特性 在动态条件下，该电路的等效电路图可看作图3所示电路。 图3 动态特性等效电路在图3所示的等效电路中，为第一级输出节点到地的总电容，有一般远大于晶体管电容，所以远大于，分别对节点1和节点2列写KCL方程，对于节点1有其中四式联立可得可算出 1对于节点2有其中已知，可得到将式1代入该式，可得到接下来进行计算 令则对于形如

12、的方程，如果有两个实根并相距很远，有，。由此得到两个实根分别为 从而电路的主极点 而次极点 第二极点的单位增益带宽为 一般而言，处于电路的稳定，为了达到的相位裕度，第二极点必须在1.22GBW之外。前面仿真的所有仿真值带入后，满足该条件，所以无需调整参数。四、 设计过程由于在分配电流时，我们设置的偏置电流为1ua ，第一级放大电流为3.5ua，第二级放大电路电流大小为3.5ua.故仿真电流可以确定，求取在不同电流下的mos管的，K值。 4.1 NMOS的特性仿真及参数推导 单管仿真代码： L=0.35u W=1u Id=3.5u nmos nmos .options list node pos

13、t .op .LIB D:InstalledHspiceLibCMOS_035_Spice_Model.lib TT Mp d d 0 0 N_33 L=0.35u W=1u ID VDD d 3.5u *ID为漏极电流大小 VDD VDD 0 5v *栅源电压 .END 仿真结果： subckt element 0:mp model 0:n_33 region Saturati id 3.5000u gm 46.6347u gds 1.1166u从上述仿真结果可以求出：，4.2 PMOS的特性仿真及参数推导 L=0.35u W=1u Id=1.7u pmos pmos .options li

14、st node post .op .LIB D:InstalledHspiceLibCMOS_035_Spice_Model.lib TT Mp D D VDD VDD P_33 L=0.35u W=1u ID D 0 1.7u *ID为漏极电流大小 VDD VDD 0 5V *栅源电压 .END 仿真结果： subckt element 0:mp model 0:p_33 region Saturati id -1.6000u gm 19.1651u gds 580.5186n 从上述仿真结果可以求出：，4.3 二级运算放大器参数推导 由电流分配可以知道：偏置电流为1ua ，第一级放大电流为

15、3.5ua，第二级放大电路电流大小为3.5uA.通过仿真发现，当L的取值很小时，镜像电流可能与理论值不相符，故在分配电流时，将L值取的比较大，取L=20u，则： ， 又因为： 由单管NMOS和PMOS仿真结果可知： 可得: 应选择合适的过驱动电压，而VGST的值比较小， 故取 则： 由单管NMOS和PMOS仿真结果可知： 又因为： 故： 由相位裕度大于45可知，由于cl取值为0.1p，相对较小，故此时寄生 令 则有： 令： 则有: 4.4 二级运算放大器仿真及参数调整 4.4.1电路原理图： 4.4.2 计算初值仿真网表及说明 My MOS Differential Amp *文件名字 .LI

16、B D:InstalledHspiceLibCMOS_035_Spice_Model.lib TT *添加库文件 .options post=2 .op *静态分析 *MXXX nd ng ns mname *MOS管尺寸的设置 M01 5 5 4 4 p_33 l= 20u w=20u M13 7 5 4 4 p_33 l= 20u w=70u M21 6 5 4 4 p_33 l= 20u w=70u M10A 8 1 7 7 p_33 l= 0.35u w=3.9u M10B 9 2 7 7 p_33 l= 0.35u w=3.9u M11 8 8 3 3 n_33 l= 0.35u w

17、=1u M12 9 8 3 3 n_33 l= 0.35u w=1u M20 6 9 3 3 n_33 l= 0.35u w=1u ibias 5 3 dc 0.92ua *偏置电流 cm 9 6 3p *米勒补偿电容 cl 6 0 0.1p *cl与rl组成RC滤波电路 rl 6 0 10000K *双电源供电 vdd 4 0 5 *VDD=5V vss 3 0 -5 *VSS=-5V vi1 1 0 dc 0 ac 1 *小信号输入 vi2 2 0 dc 0 .AC DEC 5 10Hz 100MEG *交流仿真 .print ac vdb(6) vp(6) *打印电路图 .END仿真结果

18、：增益为59.9281db，与此同时，总电流I略大于8ua，故可适当增加（W/L）10a的值，同时减少偏置电流，最终通过仿真，参数取（W/L）10a=（4u/0.35u），偏置电流I取0.92ua。 4.4.3 参数调整仿真网表及说明 My MOS Differential Amp .LIB D:InstalledHspiceLibCMOS_035_Spice_Model.lib TT *添加库文件 .options post=2 .op *静态分析 *MXXX nd ng ns mname *MOS管尺寸的设置 M01 5 5 4 4 p_33 l= 20u w=20u M13 7 5 4

19、4 p_33 l= 20u w=70u M21 6 5 4 4 p_33 l= 20u w=70u M10A 8 1 7 7 p_33 l= 0.35u w=4uM10B 9 2 7 7 p_33 l= 0.35u w=4uM11 8 8 3 3 n_33 l= 0.35u w=1uM12 9 8 3 3 n_33 l= 0.35u w=1uM20 6 9 3 3 n_33 l= 0.35u w=1uibias 5 3 dc 0.92ua *偏置电流cm 9 6 3p *米勒补偿电容cl 6 0 0.1p *cl与rl组成RC滤波电路rl 6 0 10000K*双电源供电vdd 4 0 5 *

20、VDD=5Vvss 3 0 -5 *VSS=-5Vvi1 1 0 dc 0 ac 1 *小信号输入vi2 2 0 dc 0.AC DEC 5 10Hz 100MEG *交流仿真.print ac vdb(6) vp(6) *打印电路图.END 4.4.4 网表生成.lis文件内容分析4.4.4.1静态仿真结果输出 * voltage sources subckt element 0:vdd 0:vss 0:vi1 0:vi2 volts 5.0000 -5.0000 0. 0. current -7.7585u 7.9118u 0. 0. power 38.7924u 39.5589u 0.

21、0. * mosfets subckt element 0:m01 0:m13 0:m21 0:m10a 0:m10b 0:m11 model 0:p_33 0:p_33 0:p_33 0:p_33 0:p_33 0:n_33 region Saturati Saturati Saturati Saturati Saturati Saturati id -919.9980n -3.3886u -3.4125u -1.6625u -1.6625u 1.6943u vgs -961.3176m -961.3176m -961.3176m -787.6311m -787.6311m 605.7254

22、m vds -961.3176m -4.2124 -6.5331 -5.1819 -5.1819 605.7254m vth -810.7714m -808.2341m -808.2341m -786.4916m -786.4916m 574.9251m subckt element 0:m12 0:m20 model 0:n_33 0:n_33 region Saturati Saturati id 1.6943u 3.6032u vgs 605.7254m 605.7254m vds 605.7254m 3.4669 vth 574.9251m 554.5680m 由上可以看出，电路中的总

23、电流为7.9118u ，小于8ua;上述管子均工作在饱和区，工作正常。 4.4.4.2动态特性分析 * ac analysis tnom= 25.000 temp= 25.000 * x freq volt db volt phase 6 6 10.00000 59.9487 179.6435 15.84893 59.9485 179.4349 25.11886 59.9478 179.1045 （中间部分略） 398.10717 59.6905 166.0850 630.95734 59.3269 158.5608 1.00000k 58.5289 148.0995 1.58489k 57.

24、0010 135.3775 （中间部分略） 630.95734k 8.3138 75.8065 1.00000x 4.6584 67.9415 1.58489x 1.4194 56.8960 2.51189x -1.1105 43.0926 由上述仿真结果可以看出，在25常温下，该二级运算放大器的增益约为60db，频带宽度约为1.5K，相位裕度约为50精确值在仿真图中查看.4.4.5 仿真图形分析 4.4.5.1 频率特性仿真图 图一 增益（Av）、相位裕度（Phase）-频率（f）曲线 图二 图一中截图 图三 图一中截图由图二和图三的放大图可以看出在整个放大电路中：电压增益=60db,带宽=

25、1.63KHZ，相位裕度=49.245. 4.4.5.2 输入、输出波形仿真 图一 输入与输出波形 由图可知，该二级运算放大器对共模信号有很好的抑制作用，其中输出波形的水平轴线不为0，是由于偏置电压的作用，可在输出端接一电容C，消去偏置电压，这是因为偏置电压为直流电压，电容具有隔交阻直的功能。 输入与输出波形代码：My MOS Differential Amp.LIB D:InstalledHspiceLibCMOS_035_Spice_Model.lib TT.options post=2.op*MXXX nd ng ns mname*x=6,y=0M01 5 5 4 4 p_33 l= 2

26、0u w=20u M13 7 5 4 4 p_33 l= 20u w=70u M21 6 5 4 4 p_33 l= 20u w=70u M10A 8 1 7 7 p_33 l= 0.35u w=4uM10B 9 2 7 7 p_33 l= 0.35u w=4uM11 8 8 3 3 n_33 l= 0.35u w=1uM12 9 8 3 3 n_33 l= 0.35u w=1uM20 6 9 3 3 n_33 l= 0.35u w=1uIBIAS 5 3 dc 0.92uaCM 9 6 3pCL 6 0 0.1pVDD 4 0 5VSS 3 0 -5 vi1 vi1 0 DC 0 SIN(0

27、 1mv 100)vi2 vi2 0 DC 0 SIN(0 -1mv 100).TRAN 100ms 0.2s *交流信号分析，将输入输出波形显示出来.PROBE TRAN V(vi1,vi2)五、 总结5.1、个人心得 随着这个学期的尾声的逼近，IC课程设计也结束了。从开始课设一直到现在，回想自己做课设时的种种艰辛，有颇多感慨。但是还带有点小遗憾，那就是没有用Cadence Virtuoso将这个电路的IC版图画出来，主要原因还是软件没有安装好，虽然这部分并不要求。总体来说，题目所要求的和助教额外外加的要求都达到了，在这个课程设计中对CMOS两级运算放大器有了更加深入的了解，同时掌握了画图软

28、件Viewlogic和仿真软件Hspice的使用方法，对网表的导出和网表的编写也熟练的掌握。 我们组算是开始的比较早的吧，早在刚开始拿到这个题目，我们组便开始了工作，所以时间对我们来说也是比较充裕的。在拿到这个题目之前，我们也并没有直接去做，而是从网上搜取了一些资料，然后才进行，一些资料像钟文耀编著的CMOS电路模拟与设计-基于Hspice，在我进行仿真的时候给了我很大的提示。正所谓磨刀不误砍柴工，我们三个人在前期都是在看一些资料，并且消化题目，在第一个礼拜，我们组三个人基本看完资料，三个人便开了一次小组讨论会，商量如何来分工，接着便是实际的计算与仿真了。 在第一次答疑的时候，我和另一组员一起

29、去找助教答疑，助教给了一些实质性的建议，如：你可以使用Cadnece画原理图，导出网表；用Hspice进行仿真。后来我们组还是采用了Viewlogic中的ViewDraw工具来画原理图，这很大一部分是由于ViewLogic软件更加容易掌握，掌握了Viewlogic软件后，我们将CMOS两级放大器的原理图输入，导出网表，自己稍加修改便可以在Hspice进行仿真了。在前期由于我们并不是很了解网表的构成，通过几个实验和参考了一些资料，我们了解了网表的基本结构，由于这个CMOS二级运算放大器的原理图并不是很复杂，最后我们还是选择自己直接写网表，这样的话，自己能够熟练的了解网表语言，并且掌握网表的书写也

30、是很重要的。 在安装软件的时候也碰到了一些疑问，比如在安装Viewlogic的时候，由于我的电脑是WIN7的，在安装的时候总是碰到一些问题，安装完了后，也不能运行，后来经过在网上百度疑问才了解到，Viewlogic和WIN7版本不兼容，最后我选择了安装微软官网上的XP虚拟机，然后在在XP上成功的安装了Viewlogic。同时在安装Hspice的时候，我在安装的时候并没有太大的问题，但是在帮助组员安装的时候却出现的错误，其中经过多次重新开机后才能使用，对于这个软件安装的问题还不是十分了解。 在我们计算完各种参数并且掌握了软件的使用方法以后，我们组在对自己编写网表进行仿真的时候，问题便都出现了，像

31、栅源跨导gm这个参数，我刚开始用的是在将宽长比取了一个值后，通过仿真结果得到要求的gm的相关参数，如u、Cox等，然后就把这些定值给求出来了。但是当改变W/L的值的时候，它的其他的值便会发生变化，如：单管pmos和nmos的Vth随着W/L的值的变化而变化；它的值也是在不同的电流和W/L的状态下不同。 由于在仿真的时候是根据实际情况仿真的，其中在改变W/L的时候，会改变MOS管的寄生电容，阈值电压Vth，值，所以我们组只有通过粗略的估算，在仿真的时候再进行修改参数，从而使整体要求达到题目的要求。 在这个过程中，我们遇到了很多问题，不管是理论推导还是软件操作，第一次的答疑都起了很大的作用，使我们

32、的目的更加明确，同时在我做课设的时候助教对我们的帮助很大，通过多次询问助教，助教都给出了可行的建议，特别是我在询问的时候，由于搞错了增益带宽积GBW和通频带的概念，使得助教没能理解我的意思，所以在一些概念上自己理解的还不是很深，还需要花上写时间更好的掌握，最终，通过自己的努力和助教的帮助，我们还是比较顺利的完成了任务。 总体来说，关于这次课设，有几下几点自己深刻的体会到： 一、要有耐心。在计算参数的时候还好，而且题目中也给出了它的小信号模型，通过基尔霍夫定理，使用KCL,KVL便可以分析出其静态特性和频率特性，但是通过计算后，将计算得到的W/L的值代入进行仿真的时候，仿真结果总是与要求的结果相

33、差一点点，刚开始便是对题目所需要达到的要求有些怀疑，是不是理论上不能达到，后来自己摒弃了一写旧的想法，再次对电路图重新认识，才使得最后仿真的结果满足题目所要求的。 二、要做好准备。对于这次的IC课程设计，前期要准备的知识是十分重要的，虽然我们在大二学习了模电和IC。但是这些知识毕竟还是有限的，像Hspice语言以及Viewlogic还是需要自己去自学的，而在开始对题目进行理论分析计算和仿真时，这些知识是必不可少的饿，而只有在自己将这些知识消化吸收后，才能对这个题目有很好的把握度和理解，也不会出现做到一半，突然不知道怎么计算了。 三、组员之间要经常沟通与交流。作为一个组而言，每个人并不是一个独立

34、的个体，每个人都当担着不同的角色，不能脱离出去，我们组有很好的规划，大家需要做什么，需要看什么书籍，需要完成哪些任务都有分配；每次稍有进展，或者解决了困惑大家的问题，我们之间都会在群上共享，只有这样才能保证大家能够同步向前，而不是有人掉队，或者谁已经远远的走在前面，避免了不必要的工作量。 四、知识还需要充实。从做这个二级运算放大器来说，所用到的知识并不是很多，自己通过查看一些放大器的资料，觉得自己的知识远远不够，关于这个方面还是需要自己通过阅读更多的文献和资料来充实自己。单就这个题目而言，所学到的知识毕竟很有限的。所以要想学到更深和更多，还需要自己多花时间去学习。5.2 课设碰到的主要疑问以及自己个人对问题的理解 在题目给出的二级运算放大器的原理图中， 我令IB=1ua， M01 p_33 l= 1u w=1u M13 p_33 l= 1u w=2u M21 p_33 l= 1u w=1u 我令： IB=1ua， M01 p_33 l= 1u w=1u M13 p_33 l= 1u w=2u M13 p_33 l= 1u w=1u在.lis文件中仿真如下： subckt element 0:M01 0:M1