集成电路设计基础课程设计单级CMOS放大电路的设计与仿真.docx
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集成电路设计基础课程设计单级CMOS放大电路的设计与仿真
单级CMOS放大电路的设计与仿真
摘要：
本文对单击CMOS放大器电路进行设计和仿真。
首先将对CMOS管进行简单介绍和进行特性分析，并对单级CMOS放大电路的设计原理做了简单介绍。
然后根据设计要求，通过Hspice软件仿真系统对单级CMOS放大电路进行仿真，包括直流工作点的分析，瞬态分析，傅里叶分析。
并对其静态工作点和交流小信号分析做出阐述。
从而使我们了解到模拟CMOS集成电路的一般设计方法和思路，以及Hspice软件的一些基本操作和防真功能。
通过实际操作进一步了解CMOS的特性以及在我们的实际生活中具有什么样的地位。
关键词：
直流工作点分析、单级CMOS放大电路、仿真操作、CMOS晶体管、瞬态分析、傅里叶分析、Hspice
Abstract:
TheclickCMOSamplifiercircuitdesignandsimulation.ThefirstofCMOStubewasintroducedandthecharacteristicsareanalyzed,andonthesinglestageCMOSamplifyingcircuitdesignprinciplewasbrieflyintroduced.Thenaccordingtodesignrequirements,throughtheHspicesoftwaresimulationsystemonsingleCMOSamplificationcircuitsimulation,includingDCoperatingpointanalysis,transientanalysis,Fourieranalysis.Andthestaticworkingpointandmakethesmallsignalanalysis.InordertomakeusunderstandtheanalogCMOSintegratedcircuitdesignmethodandtrainofthought,aswellastheHspicesoftwareofsomeofthebasicoperationandfunctionofpreventingit.ThroughtheactualoperationtofurtherunderstandthecharacteristicsofCMOSandourreallifehavewhatkindofposition
Keyword.
AnalysisofDC,singlestageCMOSamplificationcircuit,simulationoperation,CMOStransistor,transientanalysis,Fourieranalysis,Hspice
1.综述：
金属氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效应晶体管。
是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效应晶体管。
金属氧化物半导体场效应晶体管依照其“沟道”的极性不同，可分为电子占多数的N沟道型与空穴占多数的P沟道型，通常又称为N型金氧半场效应晶体管（NMOSFET）与P型金氧半场效应晶体管（PMOSFET）。
0世纪最初的10年，通信系统已开始应用半导体材料。
20世纪上半叶，在无线电爱好者中广泛流行的矿石收音机，就采用矿石这种半导体材料进行检波。
半导体的电学特性也在电话系统中得到了应用。
晶体管的发明，最早可以追溯到1929年，当时工程师利莲费尔德就已经取得一种晶体管的专利。
但是，限于当时的技术水平，制造这种器件的材料达不到足够的纯度，而使这种晶体管无法制造出来。
由于电子管处理高频信号的效果不理想，人们就设法改进矿石收音机中所用的矿石触须式检波器。
在这种检波器里，有一根与矿石（半导体）表面相接触的金属丝（像头发一样细且能形成检波接点），它既能让信号电流沿一个方向流动，又能阻止信号电流朝相反方向流动。
在第二次世界大战爆发前夕，贝尔实验室在寻找比早期使用的方铅矿晶体性能更好的检波材料时，发现掺有某种极微量杂质的锗晶体的性能不仅优于矿石晶体，而且在某些方面比电子管整流器还要好。
947年12月，美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组，研制出一种点接触型的锗晶体管。
晶体管的问世，是20世纪的一项重大发明，是微电子革命的先声。
晶体管出现后，人们就能用一个小巧的、消耗功率低的电子器件，来代替体积大、功率消耗大的电子管了。
晶体管的发明又为后来集成电路的降生吹响了号角。
电力晶体管
放大现象存在于各种场合，例如，利用放大镜放大微小物体，这是光学中的放大；利用杠杆原理用小力移动物体，这是力学中的放大；利用变压器降低电压变换成高电压，这是电学中的放大。
研究他们的共同特点，一是都将物体形状或大小的差异按一定比例放大了，而是放大前后能量守恒，例如，杠杆原理中前后端做功相同，理想变压器的原、副边功率相等。
放大器有一些比较重要的参数：
增益、速度、功耗、电源电压、线性度、噪声、最大电压摆幅。
而这些参数中，增益和速度是这其中最重要的参数，他们对于放大器的性能有着很大的影响。
更进一步，输入输出阻抗决定电路该如何与前级和后级相互配合。
在实际中，这些参数中的大多数都会相互牵制，这将导致设计变成一个对为优化的问题。
放大的前提是不失真，机只有在不失真的情况下放大才有意义。
晶体管和场效应管是放大电路的核心元件，只有他们工作再合适的区域（晶体管工作再放大区、场效应管工作在横流区），才能使输出量和输入量始终保持线性关系，即电路才不会产生失真。
由于任何稳态信号都可分解为若干频率正弦信号的叠加，所以，放大电路常以正弦波形式作为测试信号。
在大多数模拟电路和许多数字电路中，放大是一种基本的功能。
我们放大一个模拟或数字信号是因为这个信号太小而不能驱动负载，而不能克服后继的噪声或者是不能为数字电路提供逻辑电平。
放大器的输入输出特性通常是一个在一定信号范围内可以用一个多项式来描述的非线性函数：
输入输出可以使电流值也可以是电压值。
放大电路的组成原则：
1）静态工作点合适：
合适的直流电源，合适的电路参数
（2）动态信号能够作用于有源器件的输入回路，在负载上
能够获得放大了的动态信号。
（3）对实用放大电路的要求：
共地、直流电源种类尽可能
少、负载上无直流分量。
通常放大电路中直流电源和交流信号的作用共存，并且由于电路中电抗元件的存在，交流电流和直流电流流过的通路是不一样的，使电路的分析复杂化。
为简化分析，在分析时将它们分开作用，引入直流通路和交流通路的概念。
放大器主要分为四类：
共源结构、共删结构、源跟随器、和共源共删结构。
模拟最初CMOS即使只用于数字设计，但是降低成本和增加集成电路功能的持续推动力以使其用于模拟、模拟数字和混合信号（包含模拟电路和数字信号处理的芯片）设计。
将CMOS技术用于模拟设计时主要考虑匹配。
匹配时用于描述两个相同晶体管电学特性一致性的词汇。
匹配程度通常限制了设计的质量（例如，监视器的清晰度测量的精度等）。
HSpice简介
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公司的PSPICE（1984年推出）以及其它电路分析软件的基础上，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Cadence,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。
Avant!
Start-Hspice（现在属于Synopsys公司）是IC设计中最常使用的电路仿真工具，是目前业界使用最为广泛的IC设计工具，甚至可以说是事实上的标准。
目前，一般书籍都采用Level2的MOSModel进行计算和估算，与Foundry经常提供的Level49和Mos9、EKV等Library不同，而以上Model要比Level2的Model复杂的多，因此Designer除利用Level2的Model进行电路的估算以外，还一定要使用电路仿真软件Hspice、Spectre等进行仿真，以便得到精确的结果。
本文将从最基本的设计和使用开始，逐步带领读者熟悉Hspice的使用，并对仿真结果加以讨论，并以一个运算放大器为例，以便建立IC设计的基本概念。
在文章的最后还将对Hspice的收敛性做深入细致的讨论。
Star-Hspice与绝大多数SPICE的变种相兼容，并有如下附加的特征：
优秀的收敛性、精确的模型，包括许多加工模型层次节点命名参考、对模型和电路单元的最优化，在AC，DC和瞬态仿真中，带有递增和同步的多参数优化。
带解释的MonteCarlo和极坏设计支持。
可参数化单元的输入输出及行为算术描述（algebraics）有对高级逻辑仿真器校验库模型的单元特征化工具。
对PCB板，多芯片，包装，IC技术的几何损耗耦合传输线。
离散部件，针脚，包装和销售商IC库。
来自于多重仿真的AvanWaves交互式波形图和分析。
2、单级CMOS放大电路的设计
2.1MOS管介绍：
CMOS晶体管（金属-氧化-半导体）（Metal-Oxide-SemiConductor）结构的晶体管简称MOS晶体管，有P型MOS管和N型MOS管之分。
由MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，而有PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为CMOS-IC（ComplementaryMOSIntegratedCircuit）。
目前使用最最广泛的晶体管是CMOS晶体管，CMOS晶体管特点首先CMOS晶体管功耗和抗干扰能力优于同时期的TTL器件，而且速度和TTL器件相当，所以CMOS取代TTL是大势所趋，我们看到目前集成电路上的晶体管还有几乎所有PLD器件都是采用CMOS技术，这一点就说明了CMOS的大行其道。
放大器的特点：
放大器有一些比较重要的参数：
增益、速度、功耗、电源电压、线性度、噪声、最大电压摆幅。
而这些参数中，增益和速度是这其中最重要的参数，他们对于放大器的性能有着很大的影响。
更进一步，输入输出阻抗决定电路该如何与前级和后级相互配合。
在实际中，这些参数中的大多数都会相互牵制，这将导致设计变成一个对为优化的问题。
在大多数模拟电路和许多数字电路中，放大是一种基本的功能。
我们放大一个模拟或数字信号是因为这个信号太小而不能驱动负载，而不能克服后继的噪声或者是不能为数字电路提供逻辑电平。
放大在反馈系统中也起着重要作用。
在分析每个电路的大信号特性和小信号特性时，我们建立一些直观的方法和模型，这些方法和模型对于理解更复杂的系统被证明是有效的。
电路设计者任务的一个重要部分就是适当的近似来建立复杂电路的简单的智力模型。
这样获得的直觉知识是我们通过观察就能用公式表示大多数电路的特性，而不需要通过冗长的计算。
2.2MOS特性分析
1.MOS管种类和结构
MOSFET管是FET的一种（另一种是JFET），可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道共4种类型，但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种。
对于这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS。
原因是导通电阻小，且容易制造。
所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS。
下面的介绍中，也多以NMOS为主。
MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的。
寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些，但没有办法避免，后边再详细介绍。
在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。
这个叫体二极管，在驱动感性负载（如马达），这个二极管很重要。
顺便说一句，体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。
1，MOS管导通特性
导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。
NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。
PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。
但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。
2，MOS开关管损失
不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。
选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。
现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。
MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。
MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。
通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越快，损失也越大。
导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。
缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。
这两种办法都可以减小开关损失。
3,MOS管驱动
跟双极性晶体管相比，一般认为使MOS管导通不需要电流，只要GS电压高于一定的值，就可以了。
这个很容易做到，但是，我们还需要速度。
在MOS管的结构中可以看到，在GS，GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，实际上就是对电容的充放电。
对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。
选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。
第二注意的是，普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需要是栅极电压大于源极电压。
而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压（VCC）相同，所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。
如果在同一个系统里，要得到比VCC大的电压，就要专门的升压电路了。
很多马达驱动器都集成了电荷泵，要注意的是应该选择合适的外接电容，以得到足够的短路电流去驱动MOS管。
上边说的4V或10V是常用的MOS管的导通电压，设计时当然需要有一定的余量。
而且电压越高，导通速度越快，导通电阻也越小。
现在也有导通电压更小的MOS管用在不同的领域里，但在12V汽车电子系统里，一般4V导通就够用了。
4，MOS管应用电路
MOS管最显著的特性是开关特性好，所以被广泛应用在需要电子开关的电路中，常见的如开关电源和马达驱动，也有照明调光。
2.3单级CMOS放大电路的设计原理
由NMOS管和PMOS管组成的互补放大电路称为CMOS放大电路。
它具有电压增益高，输出电压变化范围宽等特点。
原理图如下：
图1.单级CMOS放大电路原理图
3、原理图的绘制以及电路的仿真
3.1软件概述
Star-Hspice有着无与伦比的优势用于快速精确的电路和行为仿真。
它使电路级性能分析变得容易，并且生成可利用的MonteCarlo、最坏情况、参数扫描（sweep），数据表扫描分析，而且还使用了最可靠的自动收敛特性。
Star-Hspice是组成全套Avant！
工具的基础，并且为那些需要精确的逻辑校验和电路模型库的实际晶体管特性服务。
被Star-Hspice仿真的电路的大小局限于计算机所使用的虚拟内存。
Star-Hspice软件对接口可用于各式各样设计框架的各种计算机平台作了优化。
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公司的PSPICE（1984年推出）以及其它电路分析软件的基础上，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输入网表文件为.sp文件，模型和库文件为.inc和.lib，Hspice输出文件有运行状态文件.st0、输出列表文件.lis、瞬态分析文件.tr#、直流分析文件.sw#、交流分析文件.ac#、测量输出文件.m*#等。
其中，所有的分析数据文件均可作为AvanWaves的输入文件用来显示波形。
HSPICE可与许多主要的EDA设计工具，诸如Cadence,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。
3.2原理图的绘制
运用Hspice软件后根据上文中的原理图绘制仿真电路如下图2所示：
图二。
单级CMOS放大器的原理仿真图
3.3直流工作点的分析
图3.单级CMOS放大电路直流工作点分析图
直流工作点分析用于确定电路的静态工作点。
在进行直流分析时，假设交流源为零且电路处于稳定状态，也就是假定电容开路、电感短路、电路中的数字器件看作高阻接地。
直流分析的结果常常作为以后分析的基础。
例如，直流分析所得的直流工作点作为交流分析时小信号非线性器件的线性工作区；直流工作点作为暂态分析的初始条件。
直流工作点的分析实在电路中电感短路。
该分析无特别需要的分析参数设置。
进行扫描可得下图4：
图4.对电路直流扫描波形图
从图中曲线可以看出，当时，M1截止，M2工作在可变电阻区，当1.91V《2.09V时，M1,M2同时工作在饱和区，V0=V（6）增加线性下降，曲线较陡，该区域是线性放大区。
当V。
1.91后M1进入可变电阻区，因此，曲线随Vgg的增加而缓慢下降。
3.4动态性能指标的测试
1.瞬态分析
瞬态分析不用考虑各种参数随时间的变化，仿佛时间定格在那里你能得到这时的各种物理参数（这一瞬时的）是物理研究中经常用到的一种方法。
把随时间变化是非复杂的事物在时间上定格然后对其分析总结规律最后再应用到随时间的变化上得到总体的变化规律。
瞬态动力学分析用于确定结构在任意时间随载荷变化作用下响应的一种分析方法，也称为时间历程分析。
ANSYS瞬态动力学分析可以考虑材料、接触、几何非线性，也就是说允许各种非线性行为。
该电路的瞬态分析后的波形图如下图5：
图5.单级CMOS放大电路瞬态分析图
图6：
增益的变化
图7：
输入电阻分析图
图8：
输出电阻分析图
2.傅里叶分析
傅里叶分析Fourieranalysis分析学中18世纪逐渐形成的一个重要分支，主要研究函数的傅里叶变换及其性质。
又称调和分析。
傅里叶分析Fourieranalysis分析学中18世纪逐渐形成的一个重要分支，主要研究函数的傅里叶变换及其性质。
又称调和分析。
在经历了近2个世纪的发展之后，研究领域已从直线群、圆周群扩展到一般的抽象群。
关于后者的研究又成为群上的傅里叶分析。
傅里叶分析作为数学的一个分支，无论在概念或方法上都广泛地影响着数学其它分支的发展。
数学中很多重要思想的形成，都与傅里叶分析的发展过程密切相关。
图8：
傅里叶分析波形图
3.5仿真结果
经过上面的直流分析和瞬态分析以及傅里叶分析可以得出该电路的输出结果与设计所要求的结果基本吻合，符合预期的结果。
虽然输出有一些微小的差异，但都是可以的，在所得的仿真结果中除增益和速度之外，还有功耗，电源电压，线性度，噪声和最大电压摆幅等参数犹为重要。
3.6测量结果以及误差分析：
产生偏差的主要原因：
1.元器件本身的原因
2.测量时的读数误差
3.软件本身原因所引起的误差
4.温度等外界环境所引起的原因
4.总结：
通过对单级放大器的设计以及仿真过程，让我们更加明确该电路所辨识的电压增益的计算。
其中，M2、M4两个管子的输出电阻和静态工作电流有关系，若电流越小，其阻值越大，M2管的跨导与其的宽长比成正比。
因此，适当的建校工作电流，增大M2管的宽长比可以提高电压增益。
5.心得体会：
经过两个星期的课程设计，过程曲折可谓一语难尽。
在此期间我也曾想放弃过，也曾一度兴趣盎然。
从开始时的跃跃欲试，到后来的艰难困扰，再到最后完成使得喜悦。
这一切的一切都记录这我这一过程中一步一步走过来的足迹,j见证着我的努力与成长！
还记得在最开始时的迷茫，在最开始时在不知方向的情况下乱闯的心情，再到后来一点一滴的积累，一步一步的前进，一点一点的结晶我们的目标！
在这个过程中有骄躁、有无奈、有迷茫、不知所措、有灰心丧气，但是也有欣喜、有快乐有一种前所未有的成就感！
而这就是我们的生活。
汗水预示着结果也见证着收获。
劳动是人类生存生活永恒不变的话题。
通过实习，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，在我们之前，有多少前辈在这条不好走的路上留下了多少汗水、多少心血。
我才意识到老一辈测绘为我们的社会付出。
我想说，测绘确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今物欲很流的世界，很少有机会能与大自然亲密接触，但我们可以，而且测绘也是一个团队的任务，一起的工作可以让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里一年的相处还赶不上这十来天的实习，我感觉我和同学们之间的距离更加近了；我想说，测绘确实很累，但当我们所测的数据制成成果时，心中也不免产生兴奋；正所谓“三百六十行，行行出状元”。
即便如此、这次课程设计的过程对于我们来说依旧是一条布满荆棘的密林。
我们在这所迷宫中竭尽所能的想要保持着轻灵的头脑，倒是事与愿违。
在这一过程中我们依旧晕头转向，即使是最开始的软件安装，只是简单的依旧让我们费神半天。
而这就是生活，而正是有着这样那样的挑战才让我们的生活并不单一而了无生趣，而是充满着来至对新生事物的好奇与期待。
而在这一过程中虽说有困难、有失望，但是结果得给我们的欣喜却是那样的强烈。
同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。
某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。
实习中只有一个人知道原
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