模拟CMOS集成电路设计大作业.docx
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模拟CMOS集成电路设计大作业
模拟CMOS集成电路设计大作业
设计题：
假定μnCox=110μA/V2，μpCox=50μA/V2，λn＝0.04V-1，λp＝0.04V-1（有效沟道长度为1μm时），λn＝0.02V-1，λp＝0.02V-1（有效沟道长度为2μm时），λn＝0.01V-1，λp＝0.01V-1（有效沟道长度为4μm时），γ=0.2，VTHN＝|VTHP|=0.7V。
设计如下图的放大器，满足如下要求，其中负载电容CL=5pF。
Av>5000V/V，VDD=5V，GB≥5MHz，SR>10V/µs，60°相位裕度，Vout摆幅在0.5~4.5V范围,ICMR为1.5~4.5V，Pdiss≤2mW
1.请说明详细的设计过程，包括公式表达式（假定Cox=0.35fF/µm2，栅源电容按
计算）；
2.给出进行交流仿真和瞬态仿真的spice仿真的网表，并给出仿真波形和结果以及必要的讨论和说明。
3.如果要求Av至少提高为原来的2倍，其它要求不变，如何修改电路（注意讨论对其它性能参数的影响）？
4.如果要求增益带宽积GB提高为原来的2倍，其它要求不变，如何修改电路（注意讨论对其它性能参数的影响）？
注意事项：
1.计算得到的极点频率为角频率。
2.尺寸最后应选取整数，工艺精度的限制。
3.尾电流增加，Av增加还是减小？
一.设计过程：
0.确定正确的电路偏置，保证所有晶体管处于饱和区。
为保证良好的电流镜，并确保M4处于饱和区。
（Sx=Wx/Lx）
由I6=I7得
1.根据需要的PM＝60deg求Cc（假定
>10GB）
2.由已知的Cc并根据转换速率的要求（或功耗要求）选择ISS（I5）的范围；
3.由计算得到的电流偏置值（I5/2）,设计W3/L3（W4/L4）满足上ICMR（或输出摆幅）要求，即饱和区条件；
4.验证M3处镜像极点是否大于10GB；
5.设计W1/L1（W2/L2）满足GB的要求;
6.设计W5/L5满足下ICMR（或输出摆幅）要求；
7.根据Wp2>2.2GB计算得到gm6；并且根据偏置条件VSG4=VSG6计算得到M6的尺寸；
8.根据尺寸和gm6计算I6，并验证Vout,max是否满足要求；
9.计算M7的尺寸。
并验证Vout,min是否满足要求；
10.验证增益和功耗;
11.若增益不满要求，降低I5和I6或提高M2、M6尺寸等措施，但重复以上步骤进行验证。
12.SPICE仿真验证
二，交流仿真和瞬态仿真的spice仿真的网表以及仿真波形和结果。
仿真验证：
仿真电路图及结点示意图：
PSPICE仿真：
直流仿真：
*Two-stageOPAmpsDCAnalysis
M15420MOSNW=2uL=1u
M26420MOSNW=2uL=1u
M35588MOSPW=1uL=1u
M46588MOSPW=1uL=1u
M52100MOSNW=1uL=1u
M67688MOSPW=20uL=1u
M77100MOSNW=10uL=1u
M81100MOSNW=3uL=1u
CC761.2p
CL705p
IREF81DC12.5u
VDD80DC5
VIN143DC3
*VIN230DC3
.OP
.dcVIN11.54.50.1
.plotdcV（7）
*MODEL
.MODELMOSNNMOSVTO=0.7KP=110ULAMBDA=0.04GAMMA=0.2
.MODELMOSN1NMOSVTO=0.7KP=110ULAMBDA=0.02GAMMA=0.2
.MODELMOSN2NMOSVTO=0.7KP=110ULAMBDA=0.01GAMMA=0.2
.MODELMOSPPMOSVTO=-0.7KP=50ULAMBDA=0.04GAMMA=0.2
.MODELMOSP1PMOSVTO=-0.7KP=50ULAMBDA=0.02GAMMA=0.2
.MODELMOSN2PMOSVTO=0.7KP=50ULAMBDA=0.01GAMMA=0.2
.END
仿真结果：
交流仿真：
*Two-stageOPAmpsACAnalysis
M15320MOSNW=2uL=1u
M26420MOSNW=2uL=1u
M35588MOSPW=1uL=1u
M46588MOSPW=1uL=1u
M52100MOSNW=1uL=1u
M67688MOSPW=20uL=1u
M77100MOSNW=10uL=1u
M81100MOSNW=3uL=1u
CC761.2p
CL705p
IREF81DC12.5u
VDD80DC5
VIN140DC2.6
VIN234AC30u
.OP
.ACDEC2011GHZ
.PLOTACDB（V（7）/30u）VP（7）
.PROBE
*MODEL
.MODELMOSNNMOSVTO=0.7KP=110ULAMBDA=0.04GAMMA=0.2
.MODELMOSN1NMOSVTO=0.7KP=110ULAMBDA=0.02GAMMA=0.2
.MODELMOSN2NMOSVTO=0.7KP=110ULAMBDA=0.01GAMMA=0.2
.MODELMOSPPMOSVTO=-0.7KP=50ULAMBDA=0.04GAMMA=0.2
.MODELMOSP1PMOSVTO=-0.7KP=50ULAMBDA=0.02GAMMA=0.2
.MODELMOSN2PMOSVTO=0.7KP=50ULAMBDA=0.01GAMMA=0.2
.END
仿真结果：
输入信号为12.5μA，图中直接体现的是放大倍数。
从图中可以看出，相位裕度为
60°符合要求。
瞬态仿真
*Two-stageOPAmpsTRANAnalysis
M15320MOSNW=2uL=1u
M26420MOSNW=2uL=1u
M35588MOSPW=1uL=1u
M46588MOSPW=1uL=1u
M52100MOSNW=1uL=1u
M67688MOSPW=20uL=1u
M77100MOSNW=10uL=1u
M81100MOSNW=3uL=1u
CC761p
CL705p
IREF81DC12.5u
VDD80DC5
VIN140DC2.6
VIN234sin（030u100Hz1ns0）
.OP
.TRAN1u100000u
.PLOTtranV（7）V（3）
.PROBE
*MODEL
.MODELMOSNNMOSVTO=0.7KP=110ULAMBDA=0.04GAMMA=0.2
.MODELMOSN1NMOSVTO=0.7KP=110ULAMBDA=0.02GAMMA=0.2
.MODELMOSN2NMOSVTO=0.7KP=110ULAMBDA=0.01GAMMA=0.2
.MODELMOSPPMOSVTO=-0.7KP=50ULAMBDA=0.04GAMMA=0.2
.MODELMOSP1PMOSVTO=-0.7KP=50ULAMBDA=0.02GAMMA=0.2
.MODELMOSN2PMOSVTO=0.7KP=50ULAMBDA=0.01GAMMA=0.2
.END
仿真结果：
放大倍数也符合。
3．如果要求Av至少提高为原来的2倍，其它要求不变，如何修改电路（注意讨论对其它性能参数的影响）？
使
提高为原来的两倍，首先由增益公式得
通过增益的表达式可知，可以通过降低
、
，或者增大M1（M2）、M6的尺寸。
如果M1、M6尺寸增大为原来的两倍，I2和I6保持不变，则
增大，由
可知增益带宽积就会增大，但由于增益增大倍数大，所以
减小。
由
可
知
将会增大，
减小，
增大，满足要求。
由于
，所以
也应该增大为原来的两倍，
减小，即
减小。
满足要求。
4．如果要求增益带宽积GB提高为原来的2倍，其它要求不变，如何修改电路（注意讨论对其它性能参数的影响）？
注意事项：
尾电流增加，各个器件尺寸不变的话，I3和I1增加，gm3和gm1增大，但增大倍数小，gm6增大，I6增大，最终可由下面的公式推出，放大倍数下降。
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