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1、CMOS放大器设计实验报告一、实验目的1.培养学生分析、解决问题的综合能力；2.熟悉计算机进行集成电路辅助设计的流程；3.学会适应cadence设计工具；4.掌握模拟电路仿真方法6.掌握电子电路、电子芯片底层版图设计原则和方法；7.掌握使用计算机对电路、电子器件进行参数提取及功能模拟的过程；8.熟悉设计验证流程和方法。二、实验原理单级差分放大器结构如下图所示：在电路结构中，M2和M3组成了NMOS差分输入对，差分输入与单端输入相比可以有效抑制共模信号干扰；M0和M1电流镜为有源负载，可将差分输入转化为单端输出；M5管提供恒定的偏置电流。三、实验要求设计电路使得其达到以下
2、指标：1.供电电压：VDD3.3VGND0V2.输入信号：正弦差分信号3.共模电压范围为1V4.差分模值范围1mV~100mV5．输出信号：正弦信号6.摆率大于10V/μs(CL=5pF)117.-3dB带宽大于100KHz(CL=5pF)8.幅值增益：40dB9.相位裕度：≥60°10.功耗：≤1mW11.工作温度：0℃~85℃四、差分放大器分析1、直流分析为了使电路正常工作，电路中的MOS管都应处于饱和状态。1.1M2管的饱和条件:VDS2≥VGS2-VTNVOUT-VS1≥VIC-0.5VID-VS1-VTNVOUT≥VIC-VTN1.2M4管的饱和条件:VSD4
3、≥VSG4-VTPVDD-VOUT≥VSG4-VTPVOUT≤VDD-VSG4+VTP2.小信号分析小信号模型如下：由图可得：2．1增益分析11iout=gm1gm3rp11+gm3rp1vgs1-gm2vgs2≈gm1vgs1-gm2vgs2=gmdvid其中gm1=gm2=gmd,rp1=rds1
4、
5、rds3C=rds2
6、
7、rds4AV=VOUTVID=gmdgds2+gds4AV=VOUTVID=(K1ISSW1L1)12(λ2+λ4)(ISS/2)=2λ2+λ4(K1W1ISSL1)1/22.2频率响应分析由小信号模型易知：ω1≈gds2+gds4C其中C=CB
8、D2+CBD4+CGB2+CL3．电路参数计算3．1确定电流根据摆率指标：SR≥10V/μs(CL=5pF)SR=ISSCLISS≥50μA根据功耗指标易知：ISS≤250μA根据带宽指标：f-3dB≥100KHz(CL=5pF)ω-3dB=1ROUTCLROUT≤318KΩROUT=2(λN+λP)ISSISS≥70μA综上，取:ISS=200μA3.2宽长比的确定M4与M5：电流源提供的电流为50μA，参数设为L4=1μM,W4=2μM，根据电流镜原理，可以算出L5=1μM,W8=8μMM2与M3：100=gm1ROUT=gm1gds2+gds411带入数据可得W2
9、L2=W3L3=18.4取值为20，则取L=360n,W=7.2uM0与M1：这两个PMOS管对交流性能影响不大，只要使其下方的管子正常开启即可，实验中取值：L0=L1=360nMW0=W1=1μM五、仿真结果1、幅频特性设置激励如下：信号名称信号类型参数VDD直流V=3.3VGND直流V=0VVin+交流小信号幅值1mV,频率50KHz直流电压1.65V,初相0°Vin-交流小信号幅值1mV,频率50KHz电压1.65V,初相180°进行ac仿真，仿真结果如下：增益AV=41.66dB，f-3dB=189.5KHz，相位裕度为89.91°，满足指标要求。2、摆率仿真通
10、过加入方波激励进行测试摆率信号名称信号类型参数VDD直流V=3.3VGND直流V=0VVin+方波V1=0V,V2=3.3V周期2μs,占空比50%11Vin-方波V1=3.3V,V2=0V周期2μs,占空比50%仿真结果如下：得到：SR=3.286V0.198μs=18.82×106V/s满足指标要求。3、共模电压范围仿真为了测试共模电压范围，我们调整直流工作点分别在直流工作点为1.15V和2.15V是进行仿真。3.1直流工作点1.15V时，仿真结果如下增益AV=42.42dB，f-3dB=108.7KHz，相位裕度为89.91°，满足指标要求。3.2直流工作点2.1
11、5V时，仿真结果如下11增益AV=40.99dB，f-3dB=171.7KHz，相位裕度为89.94°，满足指标要求。4、差分模值范围将输入信号按如下表格设置:信号名称信号类型参数VDD直流V=3.3VGND直流V=0VVin+交流小信号幅值100mV,频率50KHz直流电压1.65V,初相0°Vin-交流小信号幅值100mV,频率50KHz电压1.65V,初相180°仿真结果如下：11可以看到，放大器性能没有发生大的变化，满足要求以上所有仿真中功率都明显小于1mw；综上，放大器大的所有指标在前仿中满足要求。六、版图的绘制由电路图绘制版图
