模电课设.docx

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模电课设

成绩评定表

学生姓名

陈芝侠

班级学号

1003040109

专业

电子科学与技术

课程设计题目

两级运算，共源放大器和虚拟反相器设计

评

语

组长签字：

成绩

日期

2013年7月15日

课程设计任务书

学院

信息科学与工程学院

专业

电子科学与技术

学生姓名

陈芝侠

班级学号

1003040109

课程设计题目

两级运算放大器，共源放大器和反相器设计

实践教学要求与任务:

1、学习和掌握HSPICE或PSPIC软件的电路分析方法。

2、两级运算放大器设计。

3、共源放大器设计。

4、反相器设计

5、完成全部设计内容，撰写设计报告。

工作计划与进度安排:

第一周

周一：

教师布置课设任务，学生收集资料，做方案设计。

周二～三：

熟悉软件操作方法。

周四～五：

画电路图。

第二周

周一～二：

电路仿真分析。

周三：

验证电路原理及结果。

周四～五：

写报告书，验收。

指导教师：

2013年6月13日

专业负责人：

2013年6月14日

学院教学副院长：

2013年6月14日

目录

1绪论1

1.1设计背景1

1.2设计目标2

2两级运算放大器电路设计3

2.1电路原理图3

2.2HSPICE编程3

2.3仿真结果4

3共源放大器设计6

3.1电路原理图6

3.2HSPICE编程6

3.3仿真结果8

4反相器电路设计8

4.1电路原理图8

4.2HSPICE编程8

4.3仿真结果9

总结11

参考文献12

1绪论

1.1设计背景

随着微电子技术的迅速发展以及集成电路规模不断提高，对电路性能的设计要求越来越严格，这势必对用于大规模集成电路设计的EDA工具提出越来越高的要求。

自1972年美国加利福尼亚大学柏克莱分校电机工程和计算机科学系开发的用于集成电路性能分析的电路模拟程序SPICE（SimulationProgramwithICEmphasis）诞生以来，为适应现代微电子工业的发展，各种用于集成电路设计的电路模拟分析工具不断涌现。

HSPICE是Meta-Software公司为集成电路设计中的稳态分析，

瞬态分析和频域分析等电路性能的模拟分析而开发的一个商业化通

用电路模拟程序，它在柏克莱的SPICE（1972年推出），

MicroSim，PSPICE（1984年推出）以及其它电路分析软件的础上，又加入了一些新的功能，经过不断的改进，目前已被许多公司、大学和研究开发机构广泛应用。

HSPICE可与许多主要的EDA设计工具，诸如Candence,Workview等兼容，能提供许多重要的针对集成电路性能的电路仿真和设计结果。

采用HSPICE软件可以在直流到高于100MHz的微波频率范围内对电路作精确的仿真、分析和优化。

在实际应用中，HSPICE能提供关键性的电路模拟和设计方案，并且应用HSPICE进行电路模拟时，其电路规模仅取决于用户计算机的实际存储器容量。

TannerTools提供完整的集成电路设计环境，可在PC机上运行，能够帮助学生进入VLSI设计领域。

它从电路图设计、电路分析与仿真到电路布局环境一应俱全。

学生通过仿真实验能够进一步深化对集成电路原理、半导体工艺等方面知识的理解和掌握，将电子科学与技术专业的基础知识融会贯通。

1.2设计目标

1.运算放大器设计，试设计OPA计电路，使其增益为30dB，并检查是否有噪声。

2.试用HSpice产生一电路，其使用的预设的LEVEL2模型参数（defaultvalues,即在MODEL只设定LEVEL=2，其他参数试用HSpice的内定预设值），并产生一漏极特性曲线（draincharacteristiccurves）.其中的扫描条件为Vds=0~5.增量为0.1V，而Vgs=0~5Vs，增量为1V,Vs=0。

3.用HSpice线路仿真软件对以上电路进行瞬态、交流模拟仿真，并观察波形。

4.用HSpice软件中的对反相器电路进行仿真，并观察波形。

5.用TannerTools画出运算放大器电路图。

2两级运算放大器设计

2.1电路原理图

由于两级运算放大器要满足多种指标会产生各种矛盾，如对于单级运算放大器要增加线性范围，增益就会下降；驱动较大负载时增益带宽都会受影响所以在设计运算放大器时经常使用多级组成。

此运算放大器就采用了两级运放。

保持了第一级的差分特性，而只用电流镜M7~M8以产生单端输出。

电路原理图如图2.1

图2.1两级运算放大器电路

2.2HSPICE编程

*HSPICESIMULATIONFILEEX5-13

*OPERATORAMPLIFIER

.OPTIONSPOST=2LIST

.lib'.\Mm0355V.l'tt

M11VIN13GNDNCHW=100UL=0.35Um=2

M22VIN23GNDNCHW=100UL=0.35Um=2

M311VDDVDDPCHW=20UL=0.35Um=2

M422VDDVDDPCHW=20UL=0.35Um=2

M5X1VDDVDDPCHW=40UL=0.35Um=2

M6Y2VDDVDDPCHW=40UL=0.35Um=2

M7XVBGNDGNDNCHW=112UL=0.35Um=1

M8YVBGNDGNDNCHW=112UL=0.35Um=1

ISS3GND500UA

VBVBGNDDC0.7

VDDVDDGNDDC3.3

VIN1VIN1GNDDC1.65SIN（1.650.011000k）

VIN2VIN2GNDDC1.65SIN（1.65-0.011000k）

.TRAN500n5u0100nS

.PROBETRANV（x,y）V（VIN1,VIN2）

.END

2.3仿真结果

对两级运算放大器电路进行暂态响应，利用电压控制源模拟仿真简化放大器，其增益为5，利用峰值为1V,60HZ的正弦输入进行仿真并输入节点波形；如图1.2；

图2.2两级运算放大器电路的输入波形

两级运算放大器的输出波形如图2.3所示：

图2.3两级运算放大器电路的输出波形

3共源放大器设计

3.1电路原理图

所谓共源放大器是指放大器的输入-输出都包含MOS管的源极，输入信号从管的栅极输入，而输出信号从的漏极输出。

根据放大器的负载不同共源放大器可以分为两大类：

无源负载放大器和有源负载放大器。

此电路是无源负载放大器。

电路原理图如图3.1

图3.1共源放大器电路原理图

3.2HSPICE编程

*EXERCISE8_6_1draincharacteristiccurveswithlevel1model

.optionspost=2list

VDS20DC1V

VGS10DC1v

M12100MNL=2uW=4u

.MODELMNNMOS（LEVEL=1VTO=0.84898KP=5.7790E-05

+GAMMA=0.8905PHI=0.6LAMBDA=1.956049E-02）

*

.DCVDS050.1VGS051

.printV

（2）V

（1）I（M1）

.plotV

（2）V

（1）I（M1）

.END

3.3仿真结果

试用HSpice产生一电路，其使用的预设的LEVEL2模型参数（defaultvalues,即在MODEL只设定LEVEL=2，其他参数试用HSpice的内定预设值），并产生一漏极特性曲线（draincharacteristiccurves）.其中的扫描条件为Vds=0~5.增量为0.1V，而Vgs=0~5Vs，增量为1V,Vs=0。

3.用HSpice线路仿真软件对以上电路进行瞬态、交流模拟仿真，并观察波形。

输出波形如图3.2所示

图3.2共源放大器电路输出波形

4反相器电路

4.1反相器电路结构

此电路实现了虚构NMOS反相器电路，PMOS和NMOS管进行全互补连接方式，栅极相连作为输入，电路上面是两个PMOS并联，PMOS的漏极与下面NMOS的漏极相连作为输出，POMS管的源极和衬底相连接高电平，NMOS管的源极与衬底相连接低电平；原理图如图2.3

图4.1虚拟NMOS反相器电路

4.2HSPICE编程

.OPTIONSLISTPOST=2

M11033MPW=30uL=2u

M21200MNW=20uL=2u

C100.1P

VDD305

VIN20PWL（0050n070n5170n5190n0）

.MODELMPPMOS（LEVEL=1VTO=-0.9KP=20uGAMMA=0.6PHI=0.6+LAMBDA=0.02）

.MODELMNNMOS（LEVEL=1VTO=0.8KP=40uGAMMA=0.5PHI=0.6+LAMBDA=0.01）

.tran10n190n

.measTRANVmaxMAXv

（1）FROM20nTO190n

.measTRANVminMINv

（1）FROM20nTO190n

.measTRANVimaxMAXv

（2）FROM20nTO190n

.measTRANViminMINv

（2）FROM20nTO190n

.measTRANTriseTRIGv

（1）VAL=`0.1*Vmax+Vmin`TD=20ns

+RISE=1TARGv

（1）VAL=`0.9*Vmax`RISE=1

.measTRANTfallTRIGv

（1）VAL=`0.9*Vmax`TD=20nsFALL=1+TARGv

（1）VAL=`Vmin+0.1*Vmax`FALL=1

.measTRANTPHLTRIGv

（2）VAL=`（Vimax+Vimin）*0.5`TD=20ns+RISE=1TARGv

（1）VAL=`（Vmax+Vmin）*0.5`FALL=1

.measTRANTPLHTRIGv

（1）VAL=`（Vmax+Vmin）*0.5`TD=20ns+RISE=1TARGv

（2）VAL=`（Vimax+Vimin）*0.5`FALL=1

.measTRANTmidPARAM=`（TPHL+TPLH）*0.5`

.END

4.3仿真结果

给虚拟NMOS电路的输入加激励，高电平为Vdd=5V，低电平为Gnd，并添加输入输出延迟时间，进行仿真，并输出波形；电路的输入波形V1和输出波形V2如图2.4；

图4.2虚拟NMOS反相器输入输出波形

虚拟CMOS电路的仿真波形与原理图的仿真输出波形基本一致，并且符合输入输出的逻辑关系，电路的设计正确无误。

总结

在经过了几天的学习设计和仿真，我学到了很多东西，主要是对模拟集成电路的基础理论知识的复习巩固和对学习和掌握HSPICE或PSPIC软件的电路分析方法方面知识的掌握，更加清楚了解到了模拟集成电路的魅力，对以前学的理论知识通过实践来检验，更深入的理解了理论联系实际的重要性。

通过这次运算放大器设计，nMOS管漏极特性曲线验证的设计，我可以说是受益良多。

把课本上学到的应用到实践中是一种美妙的体会。

综合运用所学的知识完成了设计任务。

使我更进一步熟悉了专业知识，并深入掌握仿真方法和工具、同时为毕业设计打基础的实践环节。

进一步熟悉设计中使用的主流工具，学习了良好的技术文档撰写方法；掌握了逻辑设计的基本方法；加深学习并掌握半定制IC的前端设计方法，了解后端设计；加深综合对所学课程基础知识和基本理论的理解好掌握，培养了。

由于对于理论知识学习不够扎实，我深感“书到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的方向。

正所谓“实践是检验真理的唯一标准”，只有自己动手做过了，才能更贴切更深刻的掌握所学的知识，使自己进一步的提高。

尽管课程设计是在期末才开始，我们的教材学习完毕，掌握许多知识，但是还有很多地方理解领悟不到位，所以查阅资料使必不可少的，这就养成了我们自己学习的方式。

总的来说，课程设计是一门很严谨的的课程，给了我很多专业知识，同时在一定程度上提高了我的专业技能，还教给我许多的道理。

通过课程设计，我不仅学到了知识，而且从中学到了解决问题的方法，这也是一个锻炼自己的机会。

参考文献

[1]钟文耀,郑美珠.CMOS电路模拟与设计—基于Hspice.全华科技图书股份有限公司印行,2006.

[2]吴建辉等著.模拟集成电路.第二版.电子工业出版社,2011.6.