模拟集成电路课程设计.docx
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模拟集成电路课程设计
模拟集成电路课程设计
设计目的：
复习、巩固模拟集成电路课程所学知识，运用EDA软件，在一定的工艺模型基础上，完成一个基本功能单元的电路结构设计、参数手工估算和电路仿真验证，并根据仿真结果与指标间的折衷关系，对重点指标进行优化，掌握电路分析、电路设计的基本方法，加深对运放、带隙基准、稳定性、功耗等相关知识点的理解，培养分析问题、解决问题的能力。
实验安排：
同学们自由组合，2人一个设计小组选择五道题目中的一道完成，为了避免所选题目过度集中的现象，规定每个题目的最高限额为4组。
小组成员协调好每个人的任务，分工合作，发挥团队精神，同时注意复习课堂所学内容，必要时查阅相关文献，完成设计后对
验收与考核：
该门设计实验课程的考核将采取现场验收和设计报告相结合的方式。
当小组成员完成了所选题目的设计过程，并且仿真结果达到了所要求的性能指标，可以申请现场验收，向老师演示设计步骤和仿真结果，通过验收后每小组提交一份设计报告（打印版和电子版）。
其中，设计指标，电路设计要求和设计报告要求的具体内容在下面的各个题目中给出了参考。
成绩的评定将根据各个小组成员在完成项目中的贡献度以及验收情况和设计报告的完成度来确定。
时间安排：
机房开放时间：
2013年10月28日～11月8日，8:
30~12:
00，14:
00~18:
00
课程设计报告提交截止日期：
2012年11月15日
该专题实验的总学时为48学时（1.5学分），请同学们安排好知识复习，理论计算与上机设计的时间，该实验以上机设计为主，在机房开放时间内保证5天以上的上机时间，我们将实行每天上下午不定时签到制度。
工艺与模型：
采用某工艺厂提供的两层多晶、两层金属（2p2m）的0.5umCMOS工艺，model文件为
/data/wanghy/anglog/model/s05mixdtssa01v11.scs。
绘制电路图时，器件从/data/wanghy/anglog/st02库中调用，采用以下器件完成设计：
1）PMOS模型名mp，NMOS模型名mn；2）BJT三种模型可选：
qvp5，qvp10，qvp20；3）电阻模型rhr1k；
4）电容模型cpip。
答疑：
代课教师：
许江涛：
Tel:
，Email：
jtxu@
西一楼二楼C段255教研室
注意事项：
1.所给定的设计指标仅供参考，可以进行适当的修改，但需要说明原因；
2.根据设计指标，可以在参考电路结构的基础上确定参数并改进设计，非常鼓励通过查找参考文献，采用其它结构的电路，或者创新电路结构；
3.需要阅读模型文件
/data/jtxu/analog/05umpdk/05model/s05mixdtssa01v11.scs了解可以选用的器件类型、尺寸和关键参数等；这里给出MOS管的几个关键参数供大家参考：
NMOS：
modelnamemn
Vth0=719.2mVμ0=495.1cm2/V/stox=13nmPMOS:
modelnamemp
Vth0=972.6mVμ0=283.3cm2/V/stox=13.7nm
真空介电常数：
ε0=8.85*10-12F/msio2的相对介电常数：
εr,sio2=3.9
4.设计过程中可以参考模型库中的mn_fitting.pdf等文件，这些文件给出了各种不同尺寸MOS管的Vds、Vgs、Ids、Gm等的变化曲线，和计算结果相印证，指导电路设计过程；
5.电路仿真时，所加载的model文件地址在3中已经给出，需要说明的是需根据电路中所使用的元器件分别加载器模型项，例如电路中包含了MOS管、电阻、电容和三极管，则模型文件需要add四次，并在section一栏分别填写对应的工艺角项，依次为tt、restypical、captypical和biptypical。
这些是典型工艺角的设置情况，如果仿真其它工艺角，可以参考model文件中对已其它工艺角的定义。
例如对于MOS管除了定义了tt（typicalNMOS/typicalPMOS），还定义了ff、ss、fs和sf四种情况，分别对应fastNMOS/fastPMOS、slowNMOS/slowPMOS、fastNMOS/slowPMOS和slowNMOS/fastPMOS。
而对于电阻则定义了三种情况：
restypical、resslow和resfast。
题目一：
带隙基准的设计
基于所给的CMOS工艺设计一个带隙基准，带隙基准的原理和设计方法请参考教材《模拟CMOS集成电路设计》（陈贵灿等译）第11章内容。
设计指标（供参考）：
性能参数
测试条件
参数指标
工作电压范围
2.5～5.5V
静态电流
VDD=3.6V，Temp=27℃
<20μA
输出基准电压
VDD=3.6V，Temp=27℃
0.6V±0.5％范围以内
线路调整率
VDD=2.5～5.5V，Temp=27℃
<0.01％/V
PSRR（50Hz）
VDD=3.6V，Temp=27℃
>85dB
PSRR（1KHz）
VDD=3.6V，Temp=27℃
>75dB
温度特性
VDD=3.6V，Temp=-40~125℃
<15ppm/℃
注：
上述PSRR是指从电源端到基准输出端增益的倒数。
设计要求：
1．确定设计指标（以上指标供参考，可以进行适当修改，但需讲清楚原因）；
2．根据设计指标，可以在参考电路结构基础上确定参数和改进设计，也可以查找文献采用其它结构的电路或创造新的电路结构进行设计；
3．阅读模型文件，了解可以选用的器件类型、尺寸范围、关键参数；
4．手工设计：
根据拟定的设计指标，尝试初步确定满足指标的各元件的模型与参数：
MOS：
沟道长度与宽度，并联个数；电阻：
宽度、长度、串并联个数；电容：
宽度、长度、并联个数；三极管：
并联个数。
5．采用全典型模型,27℃，验证带隙基准是否满足设计指标；（偏置可用理想电流源代替）
6．设计偏置电路：
a）选定电路结构；
b）手工设计：
确定各元件的模型与尺寸；
c）采用全典型模型，仿真验证偏置电流源的性能；
7．将偏置电路和带隙基准电路合在一起仿真（采用全典型模型，27℃），验证带隙基准的性能参数（应包括但不限于以下内容）：
a）VDD从0V上升到5.5V过程中的基准电压波形，观察基准的建立过程与电源电压对基准的影响（线路调整率），以及工作电流曲线（直流扫描）；
b）VDD在1μS内由0V上升到3.6V然后保持不变时的基准电压波形，观察快速上电时基准的建立过程（瞬态扫描）；
c）VDD在10mS内由0V上升到3.6V然后保持不变时的基准电压波形，观察慢速上
电时基准的建立过程（瞬态扫描）；
d）在VDD＝3.6V时，PSRR对于频率（1Hz～100KHz）的特性曲线（交流扫描）；e）在VDD＝3.6V时，温度由-40℃上升到125℃的带隙输出电压曲线（温度扫描）；要求全典型模型下，电路要达到“设计指标”要求，否则应对电路结构和参数进行修改与优化，直至满足要求（可能需要多次调整）。
8．采用全慢模型，电源电压2.5V，温度-40℃进行仿真，观察以上参数的变化；
9．采用全快模型，电源电压5.5V，温度125℃进行仿真，观察以上参数的变化；
10．根据以上仿真结果，分析模型变化时，基准输出电压变化的分析。
设计报告要求：
1.设计指标的确定及其原因（如果需要对上面的指标进行修改的话）；
2.电路结构的确定及其原因；
3.电路原理论述（具体到每个器件的作用）；
4.每个晶体管的沟道宽度与长度的确定依据，电阻电容尺寸的选取依据；
5.手工设计过程（可能要迭代）；
6.报告“设计要求”中的各种波形和性能指标。
7.仿真结果的分析与设计总结（感想、改进）；
8.组内成员的具体分工与任务量（以％表示）；
9.参考文献；
10.附录（整体电路与网表文件）。
参考电路：
题目二：
差分电路设计
基于所给的CMOS工艺设计运算放大器（单端输出）和迟滞比较器。
（可分别设计运放和比较器，也可以设计一个复用电路，通过控制信号实现运放和比较器的转换。
）
设计指标：
（供参考）
性能参数
测试条件
参数指标
运放负载电容
2pF
电源电压范围
2.5~5.5V
整体静态电流
VDD=3.6V，Temp=27℃
<20uA
运算放大器
输入共模范围
VDD=3.6V，Temp=27℃
0.3~2V
输出摆幅
VDD=3.6V，Temp=27℃
0.7~3V
开环增益（低频）
VDD=3.6V，Temp=27℃
>80dB
单位增益带宽
VDD=3.6V，Temp=27℃
>800KHz
相位裕度
VDD=3.6V，Temp=27℃
>60°
PSRR（低频）
VDD=3.6V，Temp=27℃
>100dB
CMRR（低频）
VDD=3.6V，Temp=27℃
>90dB
迟滞
比较器
输入上升翻转点
VDD=3.6V，Temp=27℃，低频
Vref+（8~12mV）
输入下降翻转点
VDD=3.6V，Temp=27℃，低频
Vref-（8~12mV）
设计要求：
1．确定设计指标（以上指标供参考，可以进行适当修改，但需说明原因）；
2．根据设计指标，可以在参考电路结构基础上确定参数和改进设计，也可以查找文献采用其它结构的电路或创造新的电路结构进行设计；
3．阅读模型文件，了解可以选用的器件类型与尺寸范围；
4．手工设计：
根据拟定的设计指标，初步确定满足指标的各元件的模型与参数：
MOS：
沟道长度与宽度，并联个数；电阻：
宽度、长度、串并联个数；电容：
宽度、长度、并联个数；三极管：
并联个数。
5．采用全典型模型,27℃，验证差分电路是否满足设计指标；（偏置可用理想电流源代替）
6．设计偏置电路：
a）选定电路结构；
b）手工设计：
确定各元件的模型与尺寸；
c）采用全典型模型，仿真验证偏置电流源的性能；
7．将偏置电路和差分电路合在一起仿真（采用全典型模型，27℃，VDD=3.6V），确定差
分电路的最终性能参数（应包括但不限于以下内容）：
运放应用：
a）一输入端固定为1V参考电压，另一输入端从0V上升到2V时的输出电压曲线与静态电流曲线，确定低频增益；以输出1.8V为输出参考电压，确定输入失调电压
（直流扫描）；
b）一输入端固定为1V参考电压，另一输入端为信号输入时的放大特性：
增益、相位、带宽、相位裕量等（交流扫描）；
c）PSRR对于频率（1Hz～100KHz）的特性曲线（交流扫描）；迟滞比较器：
一输入端固定为1V参考电压，另一输入端由低变高和由高变地时的输出曲线，观察迟滞量（直流扫描）；
要求全典型模型下，运放和比较器达到“设计指标”要求，否则应对电路结构和参数进行修改与优化，直至满足要求（可能需要多次调整）。
8．采用全慢模型，电源电压2.5V，温度-40℃进行仿真，观察以上参数的变化；
9．采用全快模型，电源电压5.5V，温度125℃进行仿真，观察以上参数的变化；
10．对以上仿真结果进行分析总结，归纳模型、电压、温度对性能的影响，分析原因，探讨减小影响的方法。
设计报告要求：
1.设计指标的确定及其原因；（如果需要对上面的指标进行修改的话）
2.电路结构的确定及其原因；
3.电路原理论述（具体到每个器件的作用）；
4.每个晶体管的沟道长度的确定及其原因；
5.手工设计过程（可能要迭代）；
6.报告“设计要求”中的各种波形和性能指标。
7.仿真结果的分析与设计总结（感想、改进）；
8.组内成员的具体分工与任务量（以％表示）；
9.参考文献；
10.附录（整体电路与网表文件）。
参考电路：
VControl
自1"
Vout1
'"
题目三：
过温保护电路设计
基于所给的CMOS工艺设计一个温度系数尽量小的电流源与一个过温保护电路。
基准电流源可以给过温保护电路提供一个不随温度变化的偏置电流，保证过温保护电路自身的特性不随温度变化，因此需要改基准电流的温度系数尽量小。
过温保护电路的核心为一个比较器，其一个输入端接不随温度变化的基准电压VREF，而另一输入端接随温度变化的三极管的VBE电压。
随着温度的变化，三极管的VBE发生改变，当大于或小于VREF时，比较器的输出电压都会发生跳变，从而实现指示温度的功能。
设计指标（供参考）：
性能参数
测试条件
参数指标
（1）工作电压范围
2.5～5.5V
（2）整体静态电流
VDD=2.5~5.5V，全典型模型，
Temp=27℃
<60μA
（3）电流源指标1
VDD=2.5~5.5V，全典型模型，
Temp=27℃
（10±2）μA
（4）电流源指标2
VDD=3.6V，全典型模型，
Temp=－40℃~125℃
（10±2）μA
（5）过温保护指标
MOS
RES
BJT
VDD=3.6V
所列5中模型下满足：
1）升温翻转温度：
（160±5）℃
2）降温翻转温度：
（140±5）℃
tt
t
t
ss
s
s
ff
f
f
sf
t
t
fs
t
t
设计要求：
1．确定设计指标（以上指标供参考，可以进行适当修改，但需说明原因）；
2．根据设计指标，可以在参考电路结构基础上确定参数和改进设计，也可以查找文献采用其它结构的电路或创造新的电路结构进行设计；
3．阅读模型文件，了解可以选用的器件类型与尺寸范围；
4．参考电路中VREF为理想电压源，电压大小可以在0~1.2之间由设计者自行设定；IREF为电流源输出；OUTPUT为过温信号。
5．手工设计：
根据拟定的设计指标，初步确定满足指标的各元件的模型与参数：
MOS：
沟道长度与宽度，并联个数；电阻：
宽度、长度、串并联个数；电容：
宽度、长度、并联个数；三极管：
并联个数。
6．使用规定的测试条件，验证过温保护电路和电流源是否满足设计指标。
7．分别采用电源电压2.5V、5.5V对性能参数中的（4）、（5）重新仿真，观察以上参数的变化。
设计报告：
1.设计指标的确定及其原因；（如果需要对上面的指标进行修改的话）
2.电路结构的确定及其原因；
3.电路原理论述（具体到每个器件的作用）；
4.推导出决定过温信号翻转（两个方向）的因素与关系式，以及翻转迟滞量的表达式；
5.各个晶体管尺寸的确定依据；
6.手工设计过程（可能要迭代）；
7.仿真结果的分析与设计总结（感想、改进）；
8.组内成员的具体分工与任务量（以％表示）；
9.参考文献；
10.附录（整体电路的网表文件）。
参考电路：
题目四：
跨导放大器设计
基于所给的CMOS工艺设计一款跨导放大器。
跨导放大器的设计是教材《模拟CMOS
性能参数
测试条件
参数指标
负载电容
30pF
电源电压范围
2.5~5.5V
静态电流
VDD=3.6V，Temp=27℃
<250μA
跨导放大器
输入共模范围
VDD=3.6V，Temp=27℃
0.1~1V
输出摆幅
VDD=3.6V，Temp=27℃
0.6~1.2V
开环增益（低频）
VDD=3.6V，Temp=27℃
1800~2200
单位增益带宽
VDD=3.6V，Temp=27℃
>3MHz
相位裕度
VDD=3.6V，Temp=27℃
>60°
PSRR（低频）
VDD=3.6V，Temp=27℃
>65dB
跨导（低频）
VDD=3.6V，Temp=27℃
（900~1100）μA/V
转换速率
VDD=3.6V，Temp=27℃
>3V/μs
集成电路设计》（陈贵灿等译）的重点内容，其原理和设计方法请参考此书。
设计指标：
（供参考）
设计要求：
1．确定设计指标（以上指标供参考，可以进行适当修改，但需说明原因）；
2．根据设计指标，可以在参考电路结构基础上确定参数和改进设计，也可以查找文献采用其它结构的电路或创造新的电路结构进行设计；
3．阅读模型文件，了解可以选用的器件类型与尺寸范围；
4．手工设计：
根据拟定的设计指标，初步确定满足指标的各元件的模型与参数：
MOS：
沟道长度与宽度，并联个数；电阻：
宽度、长度、串并联个数；电容：
宽度、长度、并联个数；三极管：
并联个数。
5．采用全典型模型,27℃，验证电路是否满足设计指标；
6．设计偏置电路：
a）选定电路结构；
b）手工设计：
确定各元件的模型与尺寸；
c）采用全典型模型，仿真验证偏置电流源的性能；
7．将偏置电路和主体电路合在一起仿真，采用全典型模型，27℃，VDD=3.6V，要求电路达到“设计指标”要求，否则应对电路结构和参数进行修改与优化，直至满足要求
（可能需要多次调整），并应包括以下内容：
a）一输入端固定为0.6V参考电压，另一输入端从0V上升到3.6V（电源电压）时的输出电压曲线与静态电流曲线，确定低频增益；以输出0.9V为输出参考电压，确定输入失调电压（直流扫描）；
b）一输入端固定为0.6V参考电压，另一输入端为信号输入，输出工作点为0.9V时的放大特性：
增益、相位、带宽、相位裕量等（交流扫描，）；
c）输出工作点为0.9V时，PSRR对于频率（1Hz～100KHz）的特性曲线（交流扫描）；
8．在以下条件下，完成“要求7”中工作曲线与性能指标验证（不要求达到“设计指标”）。
VDD=2.5V
VDD=3.6V
VDD=5.5V
全慢模型，Temp=-40℃
全典型模型，Temp=27℃
全快模型，Temp=125℃
设计报告：
1.设计指标的确定及其原因；（如果需要对上面的指标进行修改的话）
2.电路结构的确定及其原因；
3.电路原理论述（具体到每个器件的作用）；
4.每个晶体管尺寸的确定依据；
5.手工设计过程（可能要迭代）；
6.回报“设计要求”中各种情况下的曲线，包括：
输入电压-输出电压的直流扫描图形（并作出直流增益，读出失调电压）、输入电压-输出电流的直流扫描图形（求出跨导曲线）、波特图（增益、相位）、PSRR图形、偏置电流源等的仿真结果与参数列表等；
7.仿真结果的分析与设计总结（感想、改进）；
8.组内成员的具体分工与任务量（以％表示）；
9.参考文献；
10.附录（整体电路的网表文件）。
参考电路：
题目五：
振荡器设计
基于所给的CMOS工艺设计一款功耗尽量小的低频振荡器。
该实验的目的为理解振荡器的设计思想，学习简单振荡器的设计方法，完成指定频率、
占空比、功耗的振荡器设计。
该振荡器的设计利用电容充放的规律，采用一个基准电流源对一个固定容值的电容充电，电容上的电压随充电时间变大，确定充放电电流与电容大小和充电时间的关系，利用比较器检测电容电压，与设计好的两个基准电压比较，可以确定比较器输出为高的时间，从而确定比较器输出翻转的周期和占空比。
电容反复充放电，输出所需的振荡信号，达到设计目标。
设计指标：
（供参考）
性能参数
测试条件
参数指标
负载电容
1pF
电源电压范围
2.5~5.5V
电流
VDD=3.6V，Temp=27℃
<5μA
振荡频率
VDD=3.6V，Temp=27℃
1KHz（T=1ms）
占空比
VDD=3.6V，Temp=27℃
50%
比较器
输入共模范围
VDD=3.6V，Temp=27℃
1~2V
输入高电平翻转精度
VDD=3.6V，Temp=27℃
<15mV
输入低电平翻转精度
VDD=3.6V，Temp=27℃
<15mV
设计要求：
1.确定设计指标（以上指标供参考，可以进行适当修改，但需说明原因）；
2.根据设计指标，可以在参考电路结构基础上确定参数和改进设计，也可以查找文献采用其它结构的电路或创造新的电路结构进行设计；
3.阅读模型文件，了解可以选用的器件类型与尺寸范围；
4.手工设计：
根据拟定的设计指标，初步确定满足指标的各元件的模型与参数：
MOS：
沟道长度与宽度，并联个数；电容：
宽度、长度、并联个数。
5.采用全典型模型,27℃，验证电路是否满足设计指标；
6.设计偏置电路（基准电流和基准电压的产生，可选做）：
a）选定电路结构；
b）手工设计：
确定各元件的模型与尺寸；
c）采用全典型模型，仿真验证充电电流源和基准电压的性能；
7.将偏置电路和主体电路合在一起仿真，采用全典型模型，27℃，VDD=3.6V，要求电路达到“设计指标”要求，否则应对电路结构和参数进行修改与优化，直至满足要求（可能需要多次调整），并应包括以下内容：
a）比较器一端输入为1V参考电压，另一端输入0.9~2.1V，周期1ms的三角波，
观察低电平翻转精度（瞬态扫描）；
b）比较器一端输入为2V参考电压，另一端输入0.9~2.1V，周期1ms的三角波，观察高电平翻转精度（瞬态扫描）；
c）振荡器的2选1输入参考电压为1V和2V，观察振荡器输出；改变参考电压观察振荡器输出；改变充放电电容观察振荡器输出；保证充放电电流相同前提下同时改变充放电电流观察振荡器输出；只改变充电电流或者只改变放电电流观察振荡器输出；
d）观察振荡器输出波形的上升沿和下降沿上是否有振荡，若有分析原因，并加以改进，观察改进后的波形。
设计报告：
1.设计指标的确定及其原因；（如果需要对上面的指标进行修改的话）
2.电路结构的确定及其原因；
3.电路原理论述（具体到每个器件的作用）；
4.每个晶体管尺寸的确定依据；
5.手工设计过程（可能要迭代）；
6.回报“设计要求”中各种情况下的曲线；
7.仿真结果的分析与设计总结（感想、改进）；
8.组内成员的具体分工与任务量（以％表示）；
9.参考文献；
10.附录（整体电路的网表文件）。
参考电路：
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