跨导运算放大器的设计.docx
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跨导运算放大器的设计
跨导运算放大器的设计
一、实验任务
1-1实验目的
学会使用数模混合集成电路设计仿真软件Hspice；学会按要求对电路的参数进行调整；学会对工艺库进行参数提取；学会用提取的参数进行手工计算分析并与仿真得出的参数进行比较。
通过上述实践达到对之前所学《模拟集成电路原理与设计》理论课程内容的更深入的理解和掌握，以及初步掌握模拟集成电路设计的方法和步骤，使学生能较快适应未来模拟集成电路设计的需求。
1-2实验任务：
设计一个跨导运算放大器
（1）VDD=1.8V,使用models.mdl库文件，1:
B是指两个管的w/L之比，Ibias=54mA，试调整各个管的参数，使该运放的放大倍数AV=
>60，而且同时满足增益带宽积GBW>100MHz，相位裕度PM>65oC，并且最优指数
>0.422，可先参照一个样板仿真文件ota.sp和ota_test.sp，然后自己调整；
（2）仿真各指标满足要求后，自行设计参数提取电路进行电路中的各个部分晶体管的参数提取，然后进行手算分析。
将分析结果与实际仿真结果进行比较；
（3）尽你所能调整除 VDD之外的其他参数，包括Ibias来提高FOM，最高能提高到多少？
最后提交一个word电子文档，包括参数提取过程、手算分析过程、电路图（带管子参数）、仿真波形图、及相关详尽的说明。
二、实验内容
2-1问题1
2-1-1参数分析
•增益Av
由
，
，
B=（W3/L3）/（W2/L2）
则
所以，可通过增大M1的宽长比，增大L4的大小，以及提高M3和M2的沟道宽长比之比B来提高放大增益
。
•增益带宽积GBW
由
因为CL的值不变，所以理论上提高M3和M2的沟道宽长比之比B、增大M1的跨导即增大M1的宽长比可以增大GBW，且满足增益的要求。
•相位裕度PM
该电路中，nout为主极点，CL不变，所以输出电阻Rout变化会使主极点发生变化。
M2和M3之间的点N2a为第一非主极点，所以通过改变M2M3的W/L之比，通过使第一非主极点的位置外移，进而可以改变相位裕度。
但是，改变管子参数的同时，总会伴随增益或带宽的下降，所以，合理取值才是最重要的。
•最优指数FOM
由
GBW满足要求时，减小Itotal值可以增大FOM
因为Ibias为定值，所以若减少Itotal，则需减小管子的尺寸
但Itotal跟GBW具有一定的矛盾关系，且电流太小管子可能会进入截止状态。
即使能令MOS管处于饱和状态，考虑实际情况，过驱动电压也不能太小。
2-1-2仿真结果
2-1-3相关参数
2-1-4计算参数
CL=1.0386p
Ibias=54uA
Itotal=254.4705u
AV0=62.111
fd=1.1952MHz
PM=70.629>65
GBW=AV0fd=62.111*1.7832=110.76>60
=0.45>0.422
从输出文件中查得各管都工作在饱和区，符合要求。
由计算，可以证明实验参数符合指标要求。
2-2问题2
2.2.1对NMOS管进行电路仿真测试并提取参数：
•NMOS管测试电路原理图
漏端电压从0到1.8V以步进0.01进行扫描，同时，栅极电压从0到1V以步进0.05V进行扫描。
•源代码：
（见附录1）
•Nmos取点：
如下图，于各条曲线取斜率并选取点进行标记
记下其横纵坐标及斜率，计算出VenL，如下表
Vds/V
Ids/uA
Slope/u
VenL
0.9
202.59
22.232
-8.2125
0.95
236.76
27.735
-7.5865
1.0
272.56
34.357
-6.9332
Avg
-7.5774
VenL＝-7.5774
3.2.2对PMOS管进行电路仿真测试并提取参数：
PMOS管测试电路原理图
•源代码：
（见附录二）
•Pmos取点：
方法同Nmos
Vds/V
Ids/uA
Slope/u
VepL
-0.9
-23.13
0.90731
24.5929
-0.95
-28.556
0.68958
40.4607
-1.0
-34.491
0.51568
65.8845
Avg
-28.726
43.6460
VepL=43.6460
2-2-3手算分析
用实验1的管子参数，由手算分析等到理论值，与实验1的仿真值相比较。
Vgs=-1V
仿真后显示其阈值电压Vth=-0.481V
忽略沟道调制效应此时Ids=-34.9058uA
由
得pmos的μCox为51.835u
带入
其中Id1=27uAW1/L1=5.0/0.18
得gm1=278.841uA/V
M3和M2的沟道宽长比之比B=（W3/L3）/（W2/L2）=（5.5/1.0）/（2.0/1.0）=2.75
输出电阻
Ro3=VenL3/（B*Id1）=92.92KΩ
Ro4=VepL4/（B*Id1）=587.81KΩ
Rout=Ro3//Ro4=80.24KΩ
已知CL=1.0386p
得到fd=1/（2π*Rout*CL）=1.9098MHz
由
得到Av=61.529
2-2-4误差分析
指标
仿真数据值
计算数据值
误差率
310.8918u
278.841u
11.5%
fd
1.7832MHz
1.9098MHz
7.00%
62.111
61.529
0.95%
1．
的误差较大，原因是沟道调制效应等二阶效应导致的。
计算的过程中只考虑了一阶模型，忽略了很多二阶效应，计算模型简略导致
的计算产生误差。
2．fd的结果受到电阻值的影响，由于电阻值较小，则fd的值相对偏大，且具有一定误差。
3．
的值受到
fd的误差影响。
4．三个参数的误差大小与计算VENL和VEPL时的取点有关。
2-3问题3
2-3-1仿真结果
2-3-2相关参数
2-3-3计算参数
=1.0386pF
Ibias=13uA
AV0=70.009
fd=1.4924MHz
PM=65.409>65
GBW=70.009*65.409=104.4814MHz>100MHz
=88.3776uA
FOM=
=1.2278>0.422
从输出文件中查得各管都工作在饱和区，符合要求。
由计算，可以证明实验参数符合指标要求。
且FOM的值约为1，较符合优化设计要求。
四、附录
附录1：
NMOS参数提取电路源代码
.subcktotandngns
**************
*parameters*
**************
.paramwmin=0.24u
.paramlmin=0.18u
.paraml1=1.0u
.paramw1=5.5u
***********
*circuit*
***********
m1ndngnsnsn_18_g2l=l1w=w1geo=3m=1
.endsota
Ateststructurefortheota
*******************
*Themodel-files*
*******************
.includemodels.mdl
***********
*Options*
***********
.optionmethod=gear
.optionreltol=1e-5abstol=1e-9
.optionpost
********************
*Includecircuits*
********************
.include'./ota_extract.sp'
**************
*parameters*
**************
.paramcl=1.0386p
.paramibias1=54u
***********
*circuit*
***********
xotandngnssota
r1nddnd1k
*theequivalentloadcapacitance
clnoutnsscl
***********
*sources*
***********
*dcsources
vddndd01.8
vssnss00
vgngnss1
***************
*simulations*
***************
*operatingpoint
.op
.dcvdd01.80.01vg010.05
**********
*output*
**********
*.probedcv（*）
.end
附录二：
PMOS参数提取电路源代码
.subcktotandngns
**************
*parameters*
**************
.paramwmin=0.24u
.paramlmin=0.18u
.paraml1=1u
.paramw1=5u
***********
*circuit*
***********
m1ndngnsnsp_18_g2l=l1w=w1geo=3m=1
.endsota
Ateststructurefortheota
*******************
*Themodel-files*
*******************
.includemodels.mdl
***********
*Options*
***********
.optionmethod=gear
.optionreltol=1e-5abstol=1e-9
.optionpost
********************
*Includecircuits*
********************
.include'./ota_extract.sp'
**************
*parameters*
**************
.paramcl=1.0386p
.paramibias1=54u
***********
*circuit*
***********
xotandngnssota
r1nddnd1k
*theequivalentloadcapacitance
clnoutnsscl
***********
*sources*
***********
*dcsources
vddndd0-1.8
vssnss00
vgngnss-1
***************
*simulations*
***************
*operatingpoint
.op
.dcvdd-1.800.01vg-100.05
**********
*output*
**********
*.probedcv（*）
.end
附录3：
参数提取及计算所用参考公式
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