哈工大cmos模拟集成电路大作业.doc
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哈工大cmos模拟集成电路大作业.doc
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HarbinInstituteofTechnology
模拟CMOS集成电路大作业
设计题目:
二级运放设计
院系:
班级:
设计者:
学号:
设计时间:
2011.6.20
哈尔滨工业大学
2012年
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=10pF。
Av>4000V/V,VDD=5V,GB=5MHz,SR>10V/µs,60°相位裕度,Vout摆幅=0.5~4.5V,ICMR1.5~4.5V,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。
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)?
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?
1.根据相位裕度PM=60deg的要求,求Cc(假定ωz>10GB);
考虑零点的影响,CC的选取:
PM=60°时,GB处
令ωz=10GB时
若PM>60°,ωp2>2.2GB,并由ωz=10GB
由此可得:
负载电容CL=10pF,所以Cc>2.2pF,取Cc=3pF
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;
极限情况下,即ICMR达最大4.5V时,M3,M4管的过驱动电压为:
由此可得,M3,M4管的漏电流:
代入μpCox=50μA/V2,VDD=5V,ICMR+=4.5V,I5=40μA,VTHN=|VTHP|=0.7V可得:
4.验证M3处镜像极点是否大于10GB
代入验证成立
5.设计W1/L1(W2/L2)满足GB的要求
由此解得:
6.设计W5/L5满足下ICMR(或输出摆幅)要求;
当ICMR取最小值1.5V时,M5管的过驱动电压为:
7.根据ωp2>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
满足题设要求。
11.SPICE仿真验证
(1)交流仿真
Spice网表:
ANTWO-STAGEOPAMPS
M12560MOSNw=6ul=2.0u
M23460MOSNw=6ul=2.0u
M32211MOSPw=8ul=2.0u
M43211MOSPw=8ul=2.0u
M56700MOSNw=8ul=2.0u
M68311MOSPw=76ul=2.0u
M78700MOSNw=38ul=2.0u
Cc383p
Cl8010p
VDD10DC5V
Vb70DC1.15V
V140DC1.5VAC0.0001V
V250DC1.5VAC0.0001V180
.OP
.acDEC201100Meg
.plotacv((8)/0.0002V)
.plotacvp(8)
.PROBE
*model
.MODELMOSNNMOSVTO=0.7KP=110U
+LAMBDA=0.02GAMMA=0.2PHI=0.7
.MODELMOSPPMOSVTO=-0.7KP=50U
+LAMBDA=0.02GAMMA=0.2PHI=0.8
.end
幅频特性曲线
相频特性曲线
(2)瞬态仿真
Spice网表:
ANTWO-STAGEOPAMPS
M12560MOSNw=6ul=2.0u
M23460MOSNw=6ul=2.0u
M32211MOSPw=8ul=2.0u
M43211MOSPw=8ul=2.0u
M56700MOSNw=8ul=2.0u
M68311MOSPw=76ul=2.0u
M78700MOSNw=38ul=2.0u
Cc383p
Cl8010p
VDD10DC5V
Vb70DC1.15V
V145DC0vsin(00.0001v100KHZ)
V250DC1.5V
.OP
.tran10us20us
.plottranV(8)
.plottranV(4)
.probe
*model
.MODELMOSNNMOSVTO=0.7KP=110U
+LAMBDA=0.02GAMMA=0.2PHI=0.7
.MODELMOSPPMOSVTO=-0.7KP=50U
+LAMBDA=0.02GAMMA=0.2PHI=0.8
.end
输入信号
输出信号
分析:
交流仿真与瞬态仿真结果与计算所得理论值相符,在计算中所忽略的部分体效应、沟道长度调制效应的影响是造成仿真结果与理论计算产生微小偏差的原因。
讨论问题:
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)?
要提高Av可适当增大M2、M3或M6、M7管的有效沟道长度从而降低其沟道长度调制系数λ,同时适当增大M6管的宽长比(W/L)6也可以达到提高增益的效果,不过同时要保证能够满足Vout,max、Vout,min以及功耗的要求,调整I5或M2管的尺寸则需对更多的参数进行调整,计算方法已在前面列出。
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- 关 键 词:
- 哈工大 cmos 模拟 集成电路 作业