假设M1和M2差分对总工作在饱和状态，则可推导出其大信号特性。
描述大信号性能的相应关系如下：
式（7-1）中，VID表示差分输入电压。
上面假设了M1 和M2 相匹配。
将式（7-1）代入（7-2）中得到一个二次方程，可得出解。
上图是归一化的M1 的漏电流与归一化差分输入电压的关系曲线，也即是CMOS差分放大器的大信号转移特性曲线。
该放大器的小信号特性参数等效跨导
从图2可以看出，在平衡条件下，M2和M5的输出电阻分别为：
于是该放大器的电压增益为：
四，实验结果
（表中数据单位：
dB）
W/L（N）
W/L（P）
40
50
60
70
5
29dB
30dB
30dB
31dB
10
35dB
36dB
37dB
37dB
15
36dB
37dB
37dB
38dB
选择nmos（w/L）=50,pmos（w/L）=10数据作为结果：
由结果曲线可知，此放大器的使用频率范围需要严格控制，当f增大到一定值时，增益下降速率很快。
1.电路图
2.幅频特性曲线
实验五：
共源共栅电流镜设计
一、实验目的
熟悉软件的使用，了解Cadence软件的设计过程。
掌握电流镜的相关知识和技术，设计集成电路实现所给要求。
二、实验要求
1.低输出高压高输出电阻的电流镜设计；
2.电流比1:
1；
3.输出电压最小值0.5V；
4.输出电流变化范围5~1000uA。
三、实验内容
1.确定（W/L）1、（W/L）2、（W/L）3、（W/L）4和沟道长度L
2.验证直流工作点
3.仿真验证
四、实验结果
1.电路图
由图可知，i6=104.6u,idc=100u,所以idc:
i6≌1:
1,大致符合电流镜的设计要求。
且Vmin=0.529.
实验六：
两级运算放大器设计
一、实验目的
熟悉软件的使用，了解synopsys软件的设计过程。
掌握电流镜的相关知识和技术，设计集成电路实现所给要求。
二、实验要求
单级放大器输出对管产生的小信号电流直接流过输出电阻，因此单级电路的增益被抑制在输出对管的跨导与输出阻抗的乘积。
在单级放大器中，增益是与输出摆幅相矛盾的。
要想得到大的增益我们可以采用共源共栅结果来极大的提高出阻抗的值，但是共源共栅中堆叠的MOS管不可避免的减少了输入电压的范围。
因为多一层管子至少增加一个对管子的过驱动电压。
这样在共源共栅结构的增益与输出电压矛盾。
为了缓解这种矛盾引入两级运放，在两级运放中将这两个点在不同级实现。
如本设计中的两级运放，大的增益靠第一级与第二级级联而组成，而大的输出电压范围靠第二级的共源放大器来获得。
设计一个COMS两级放大电路，满足以下指标：
AV=5000V/V（74dB）VDD=2.5VVSS=-2.5V
GB=5MHzCL=5pfSR>10V/us相位裕度=60度
VOUT范围=[-2,2]VICMR=-1~2VPdiss<=2mW
三、实验内容
确定电路的拓扑结构：
图中有多个电流镜结构，M5,M8组成电流镜，流过M1的电流与流过M2电流ID1,2=ID3,4=1/2*ID5，同时M3，M4组成电流镜结构，如果M3和M4管对称，那么相同的结构使得在x，y两点的电压在Vin的共模输入范围内不随着Vin的变化而变化，为第二极放大器提供了恒定的电压和电流。
图1所示，Cc为引入的米勒补偿电容。
利用表1、表2中的参数
计算得到
第一级差分放大器的电压增益为：
第二极共源放大器的电压增益为
所以二级放大器的总的电压增益为
相位裕量有
要求60°的相位裕量，假设RHP零点高于10GB以上
所以
即
由于要求
的相位裕量，所以
可得到
=2.2pF
因此由补偿电容最小值2.2pF，为了获得足够的相位裕量我们可以选定Cc=3pF
考虑共模输入范围：
在最大输入情况下，考虑M1处在饱和区，有
（4）
在最小输入情况下，考虑M5处在饱和区，有
（5）
而电路的一些基本指标有
（6）
GB是单位增益带宽
P1是3DB带宽
GB=
（7）
（8）
（9）
CMR:
正的CMR
（10）
负的CMR
（12）
由电路的压摆率
得到
=（3*10-12）（）10*106）=30μA（为了一定的裕度，我们取
。
）则可以得到，
下面用ICMR的要求计算（W/L）3
11/1
所以有
=
=11/1
由
，GB=5MHz，我们可以得到
即可以得到
用负ICMR公式计算
由式（12）我们可以得到下式
如果
的值小于100mv，可能要求相当大的
，如果
小于0，则ICMR的设计要求则可能太过苛刻，因此，我们可以减小
或者增大
来解决这个问题，我们为了留一定的余度我们
等于-1.1V为下限值进行计算
则可以得到的
进而推出
即有
为了得到60°的相位裕量，
的值近似起码是输入级跨导
的10倍（allen书p.211例6.2-1），我们设
，为了达到第一级电流镜负载（M3和M4）的正确镜像，要求
，图中x，y点电位相同
我们可以得到
进而由
我们可以得到直流电流
同样由电流镜原理，我们可以得到
四、实验原理
电路结构:
最基本的COMS二级密勒补偿运算跨导放大器的结构如图所示。
主要包括四部分：
第一级输入级放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。
两级运放电路图
相位补偿:
电路有至少四个极点和两个零点，假定z2、p3、p4以及其它寄生极点都远大于GBW，若不考虑零点z1，仅考虑第二极点p2，那么这是一个典型的两极点决定的系统。
为保证系统稳定，通常要求有63°左右的相位裕度，即保持频率阶跃响应的最大平坦度以及较短的时间响应。
但在考虑z1之后，这个右半平面（RHP）的零点在相位域上相当于左半平面（LHP）的极点，所以相位裕度会得到恶化。
同时如果为了将两个极点分离程度增大，则补偿电容Cc就要增大，这也会使得零点减小，进一步牺牲相位裕度，如图所示。
极点分裂与Cc变化
五、实验结果
1.电路图
2.幅频特性曲线
六、思考题
分析此类电流镜优点，并说明原因。
答：
1.获得了较高的精度：
在本电路中，由于电路结构特点，下方两nmos管（图中1,2）的漏端注入电压相等，由此，Iout是Iin的精确复制，即使上方两mos管（图中0,3）的输入电压发生变化，对Ｍ1,Ｍ2而言，变化量近似相等，因此Iout
Iin。
即通过共源共栅级屏蔽了输出电压变化的影响。
2.以降低输出摆幅为代价，提高了输出电阻：
各管子均处于饱和或临界饱和的状态。
七、实验分析
在本次设计中采用了密勒补偿，但在包含密勒补偿的电路中会产生一个离原
点很近的零点，位于这是由于Cc+CGD6形成从输入到输出的
回路。
这个零点大大降低了电路的稳定性。
本次设计中我们增加一个与补偿电容串联的电阻，从而改善零点的频率，
引入的电阻为RZ，零点的频率可表示为，将此零点
移到左半平面来消除第一非主极点，满足的条件为
选定合适的CL与CC，在程序中读出gm6的值，就可以计算出RZ的值。
但是电
阻过大会带来更大的热噪声，还会使时间常数更大，而电路的GB随CC的增大
而减小，这里就涉及到电阻RZ电容CC和gm6的折衷。
经过反复尝试，我们找到
了一组比较合适的数据，其中CC=3p，RZ=60k，GB和电路的稳定性均比较好
的达到了实验要求。
实验总结及问题解决
实验中的问题
问题1.mos管参数名不正确
解决：
将nmos4和pmos4改为N，P，否则会出现编译错误。
问题2.放大倍数不符合实验要求
解决：
选择合适的元件参数，沟道长宽比设置不宜过小。
实验心得体会
通过这次实验，我对synopsys软件有了一定的认识，了解了一些基本的使用方法和技巧。
第一次实验出现的错误比较多，但是相对而言学到的东西的也比较多，比如如何应对编译错误的一些问题还有非法关闭窗口后，如何正确找到文件位置。
接下来的几次试验都是有助教给好的原理图，我们根据原理图画好电路，自行仿真得出实验要求的参数，并给老师验收。
最后一次实验需要自行设计，对我们来说也十分有挑战，但是遗憾的是，由于对于整个实验的理解不够，我们组未能完整地完成最后一个实验。
通过这几次COMS设计实验，让我们将课堂上学习的理论知识运用到实践中，在实验调试的过程中更好地理解了理论知识，并加深了对模拟COMS集成电路设计这门课程的理解。
在COMS实验设计过程中，增益、速度、功耗、电源电压、线性度、噪声和最大电压摆幅这些参数都重要，但在实际的设计中，这些参数中大多数都会互相牵制，这将导致设计变成了多维优化问题。
很多时候要靠经验和直觉来得到一个较佳的折衷方案。
总而言之，我们从中学到了许多新的知识，感谢韩可老师和助教耐心地答疑，让我们受益颇丰。
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