模拟集成电路课程设 计
模拟集成电路课程设计 CMOS两级运放设计 一、摘要 本课程设计要求完成一个两级运放的设计，采用设计工艺为CMOS的 0.35um工艺技术，该工艺下器件可以等效为长沟道器件，在分析计算时可采用一级模型进行计算。本次设计主要了对于共模输入电压等指标提出了要求，详见下表。在正文中将就如何满足这些指标进行分析与讨论，并将计算结果利用cadence进行仿真，得出在0.35um工艺电路的工作情况。 二、电路分析 课程设计的电路图如下：
输入级（第一级）放大电路由M1-M5组成，其中M1与M2为NMOS 差分 输入对管，M3与M4为PMOS 有源负载，M5为第一级提供恒定的偏置电流。 输出级（第二级）放大电路由M6、M7以及跨接在M6栅漏两端（即第二级电路输入与输出两端）的电容Cc 组成，其中PMOS 管M6为共源极接法，用于实现信号的放大，而M7与M5功能相同，为第二级提供恒定的偏置电流，同时M7还作为第二级的输出负载。Cc 将用于实现第二级电路的密勒补偿，改变Cc 的值可以用于实现电路中主极点与非主极点分离等功能。 偏置电路由恒流源IB 和以二极管形式连接的M8组成，其中M8与M5，M7形成电流镜，M5和M7为相应电路提供电流的大小由其与M8的宽长比的比值来决定。 三、 设计指标 本模块将根据设计要求的指标逐一进行分析： 开环直流增益：考虑直流增益时忽略所有电容的影响，画小信号图如下： 由小信号图可以得到电路中的直流增益为： 式中， ，考虑到差分输入对管的一致性，故，从而 ，故上述表达式中用代为表示。 同时，考虑到下式： 以及表达式： Gm1*Vin ro2,4 Gm6*Vds1 Vout Vds1 ro6,7
第一章 半导体基础知识 自测题 一、（1）√ （2）× （3）√ （4）× （5）√ （6）× 二、（1）A （2）C （3）C （4）B （5）A C 三、U O1≈ U O2＝0 U O3≈－ U O4≈2V U O5≈ U O6≈－2V 四、U O1＝6V U O2＝5V 五、根据P CM ＝200mW 可得：U CE ＝40V 时I C ＝5mA ，U CE ＝30V 时I C ≈， U CE ＝20V 时I C ＝10mA ，U CE ＝10V 时I C ＝20mA ，将改点连接成曲线，即 为临界过损耗线。图略。 六、1、 V 2V mA 6.2 A μ26V C C CC CE B C b BE BB B =-====-= R I U I I R U I β U O ＝U CE ＝2V 。
2、临界饱和时U CES ＝U BE ＝，所以 Ω ≈-= == =-= k 4.45V μA 6.28mA 86.2V B BE BB b C B c CES CC C I U R I I R U I β 七、T 1：恒流区；T 2：夹断区；T 3：可变电阻区。 习题 （1）A C （2）A （3）C （4）A 不能。因为二极管的正向电流与其端电压成指数关系，当端电压为时管子会因电流过大而烧坏。 u i 和u o 的波形如图所示。 t t
t t u i和u o的波形如图所示。 u o的波形如图所示。 I D＝（V－U D）/R＝，r D≈U T/I D＝10Ω，I d＝U i/r D≈1mA。 （1）两只稳压管串联时可得、、和14V等四种稳压值。 （2）两只稳压管并联时可得和6V等两种稳压值。 I ZM＝P ZM/U Z＝25mA，R＝U Z/I DZ＝～Ω。
《模拟集成电路设计原理》期末考试 一．填空题（每空1分，共14分） 1、与其它类型的晶体管相比，MOS器件的尺寸很容易按____比例____缩小，CMOS电路被证明具有_ 较低__的制造成本。 2、放大应用时，通常使MOS管工作在_ 饱和_区，电流受栅源过驱动电压控制，我们定义_跨导_来 表示电压转换电流的能力。 3、λ为沟长调制效应系数，对于较长的沟道，λ值____较小___（较大、较小）。 4、源跟随器主要应用是起到___电压缓冲器___的作用。 5、共源共栅放大器结构的一个重要特性就是_输出阻抗_很高，因此可以做成___恒定电流源_。 6、由于_尾电流源输出阻抗为有限值_或_电路不完全对称_等因素，共模输入电平的变化会引起差动输 出的改变。 7、理想情况下，_电流镜_结构可以精确地复制电流而不受工艺和温度的影响，实际应用中，为了抑制 沟长调制效应带来的误差，可以进一步将其改进为__共源共栅电流镜__结构。 8、为方便求解，在一定条件下可用___极点—结点关联_法估算系统的极点频率。 9、与差动对结合使用的有源电流镜结构如下图所示，电路的输入电容C in为__ C F（1－A）__。 10、λ为沟长调制效应系数，λ值与沟道长度成___反比__（正比、反比）。 二．名词解释（每题3分，共15分） 1、阱 解：在CMOS工艺中，PMOS管与NMOS管必须做在同一衬底上，其中某一类器件要做在一个“局部衬底”上，这块与衬底掺杂类型相反的“局部衬底”叫做阱。 2、亚阈值导电效应 解：实际上，V GS=V TH时，一个“弱”的反型层仍然存在，并有一些源漏电流，甚至当V GS 专升本CMOS模拟集成电路分析与设计试卷答案 专升本《CMOS模拟集成电路分析与设计》 一、（共75题,共150分） 1. Gordon Moore在1965年预言:每个芯片上晶体管的数目将每（）个月翻一番（2分） A.12 B.18 C.20 D.24 .标准答案：B 2. MOS 管的小信号输出电阻是由MOS管的（）效应产生的。（2分） A.体 B.衬偏 C.沟长调制 D.亚阈值导通 .标准答案：C 3. 在CMOS模拟集成电路设计中，我们一般让MOS管工作在（）区。（2分） A.亚阈值区 B.深三极管区 C.三极管区 D.饱和区 .标准答案：D 4. MOS管一旦出现（）现象，此时的MOS管将进入饱和区。（2分） A.夹断 B.反型 C.导电 D.耗尽 .标准答案：A 5. （）表征了MOS器件的灵敏度。（2分） A. B. C. D. .标准答案：C 6. Cascode放大器中两个相同的NMOS管具有不相同的（）。（2分） A. B. C. D. .标准答案：B 7. 基本差分对电路中对共模增益影响最显著的因素是（）。（2分） A.尾电流源的小信号输出阻抗为有限值 B.负载不匹配 C.输入MOS不匹配 D.电路制造中的误差 .标准答案：C 8. 下列电路不能能使用半边电路法计算差模增益（）。（2分） A.二极管负载差分放大器 B.电流源负载差分放大器 C.有源电流镜差分放大器 D.Cascode负载Casocde差分放大器 .标准答案：C 9. 镜像电流源一般要求相同的（）。（2分） A.制造工艺 B.器件宽长比 C.器件宽度W D.器件长度L .标准答案：D 10. 某一恒流源电流镜如图所示。忽略M3的体效应。要使和严格相等，应 取为（）。（2分） A. B. C. D. .标准答案：A 11. 选择题:下列结构中密勒效应最大的是（）。（2分） A.共源级放大器 B.源级跟随器 C.共栅级放大器 D.共源共栅级放大器 .标准答案：A 集成电路设计实习Integrated Circuits Design Labs I t t d Ci it D i L b 单元实验三（第二次课） 模拟电路单元实验－差分放大器版图设计 2007-2008 Institute of Microelectronics Peking University 实验内容、实验目的、时间安排 z实验内容： z完成差分放大器的版图 z完成验证：DRC、LVS、后仿真 z目的： z掌握模拟集成电路单元模块的版图设计方法 z时间安排： z一次课完成差分放大器的版图与验证 Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page1 实验步骤 1.完成上节课设计放大器对应的版图 对版图进行、检查 2.DRC LVS 3.创建后仿真电路 44.后仿真（进度慢的同学可只选做部分分析） z DC分析：直流功耗等 z AC分析：增益、GBW、PM z Tran分析：建立时间、瞬态功耗等 Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page2 Display Option z Layout->Options ->Display z请按左图操作 Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page3 由Schematic创建Layout z Schematic->Tools->Design Synthesis->Layout XL->弹出窗口 ->Create New->OK >选择Create New>OK z Virtuoso XL->Design->Gen From Source->弹出窗口 z选择所有Pin z设置Pin的Layer z Update Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page4 实验报告 课程名称：集成电路原理 实验名称： CMOS模拟集成电路设计与仿真 小组成员： 实验地点：科技实验大楼606 实验时间： 2017年6月12日 2017年6月12日 微电子与固体电子学院 一、实验名称：CMOS模拟集成电路设计与仿真 二、实验学时：4 三、实验原理 1、转换速率（SR）：也称压摆率，单位是V/μs。运放接成闭环条件下，将一个阶跃信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得运放的输出上升速率。 2、开环增益：当放大器中没有加入负反馈电路时的放大增益称为开环增益。 3、增益带宽积：放大器带宽和带宽增益的乘积，即运放增益下降为1时所对应的频率。 4、相位裕度：使得增益降为1时对应的频率点的相位与-180相位的差值。 5、输入共模范围：在差分放大电路中，二个输入端所加的是大小相等，极性相同的输入信号叫共模信号，此信号的范围叫共模输入信号范围。 6、输出电压摆幅：一般指输出电压最大值和最小值的差。 图 1两级共源CMOS运放电路图 实验所用原理图如图1所示。图中有多个电流镜结构，M1、M2构成源耦合对，做差分输入；M3、M4构成电流镜做M1、M2的有源负载；M5、M8构成电流镜提供恒流源；M8、M9为偏置电路提供偏置。M6、M7为二级放大电路，Cc为引入的米勒补偿电容。 其中主要技术指标与电路的电气参数及几何尺寸的关系： 转换速率：SR=I5 I I 第一级增益：I I1=?I I2 I II2+I II4=?2I I1 I5(I2+I3) 第二级增益：I I2=?I I6 I II6+I II7=?2I I6 I6(I6+I7) 单位增益带宽：GB=I I2 I I 输出级极点：I2=?I I6 I I 零点：I1=I I6 I I 正CMR：I II,III=I II?√5 I3 ?|I II3|(III)+I II1,III 负CMR：I II,III=√I5 I1+I II5,饱和 +I II1,III+I II 饱和电压：I II,饱和=√2I II I 功耗：I IIII=(I8+I5+I7)(I II+I II) 四、实验目的 本实验是基于微电子技术应用背景和《集成电路原理与设计》课程设置及其特点而设置，为IC设计性实验。其目的在于： 根据实验任务要求，综合运用课程所学知识自主完成相应的模拟集成电路设计，掌握基本的IC设计技巧。 学习并掌握国际流行的EDA仿真软件Cadence的使用方法，并进行电路的模拟仿真。 五、实验内容 1、根据设计指标要求，针对CMOS两级共源运放结构，分析计算各器件尺寸。 2、电路的仿真与分析，重点进行直流工作点、交流AC和瞬态Trans分析，能熟练掌握各种分析的参数设置方法与仿真结果的查看方法。 3、电路性能的优化与器件参数调试，要求达到预定的技术指标。 2017年数字IC类笔试面试试题 威盛logic design engineer考题 1。一个二路选 择器，构成一个4路选择器，满足真值表要求、 2。已知A,B,C三个信号的波形，构造一个逻辑结构，使得从AB可以得到C，并且说明如何避免毛刺 3。一段英文对信号波形的描述，理解后画出波形，并采用verilog 实现。 4。169.6875转化成2进制和16进制 5。阐述中断的概念，有多少种中断，为什么要有中断，举例 6。这道比较搞，iq题，5名车手开5种颜色的车跑出了5个耗油量（milespergallon)，然后就说什么颜色的车比什么车手的耗油量多什么的，判断人，车，好油量的排序ft致死，看了一堆FSM和数字电路没啥用，结果基本的冬冬把自己搞死了。 不过mixedsignal里的数字部分到是很全的考察了数字的冬冬（转）几道威盛电子的FPGA工程师试题 7、解释setup和hold time violation,画图说明,并说明解决办法. 17、给出某个一般时序电路的图,有Tsetup,Tdelay,Tck->q,还有clock 的delay,写出决定最大时钟的因素,同时给出表达式. 18、说说静态、动态时序模拟的优缺点. 19、一个四级的Mux,其中第二级信号为关键信号如何改善timing 22、卡诺图写出逻辑表达使. 23、化简F(A,B,C,D)=m(1,3,4,5,10,11,12,13,14,15)的和 28Please draw the transistor level schematic of a cmos2input AND gate andexplain which input has faster response for output rising edge.(less del aytime). 30、画出CMOS的图,画出tow-to-one mux gate. 45、用逻辑们画出D触发器46、画出DFF的结构图,用verilog实现之. 68、一个状态机的题目用verilog实现73、画出可以检测10010串的状态图,并verilog实现之. 80、 Please draw schematic of a common SRAM cell with6transistors,point o utwhich nodes can store data and which node is word line control?(威盛笔试circuit design)（转） VIA数字IC笔试试题 1。解释setup和hold time violation，画图说明，并说明解决办法。 模拟集成电路设计精粹 模拟集成电路主要是指由电容、电阻、晶体管等组成的模拟电路集成在一起用来处理模拟信号的集成电路。有许多的模拟集成电路，如运算放大器、模拟乘法器、锁相环、电源管理芯片等。模拟集成电路的主要构成电路有：放大器、滤波器、反馈电路、基准源电路、开关电容电路等。模拟集成电路设计主要是通过有经验的设计师进行手动的电路调试，模拟而得到，与此相对应的数字集成电路设计大部分是通过使用硬件描述语言在EDA软件的控制下自动的综合产生。 模拟集成电路被广泛地应用在各种视听设备中。收录机、电视机、音响设备等，即使冠上了”数码设备”的好名声，却也离不开模拟集成电路。 实际上，模拟集成电路在应用上比数字集成电路复杂些。每个数字集成电路只要元器件良好，一般都能按预定的功能工作，即使电路工作不正常，检修起来也比较方便，1是1, 0是0,不含糊。模拟集成电路就不一样了，一般需要一定数量的外围元件配合它工作。那么，既然是”集成电路”，为什么不把外围元件都做进去呢这是因为集成电路制作工艺上的限制，也是为了让集成电路更多地适应于不同的应用电路。 对于模拟集成电路的参数、在线各管脚电压，家电维修人员是 很关注的，它们就是凭借这些判断故障的。对业余电子爱好者来说，只要 掌握常用的集成电路是做什么用的就行了，要用时去查找相关的资料。我从研究生开始接触模拟集成电路到现在有四年了，有读过“模拟芯片设计的四重境界”这篇文章，我现在应该处于菜鸟的境界。模拟电路设计和数字电路设计是有很大区别的，最基本的是模拟电路处理的是模拟信号，数字电路处理的数字信号。模拟信号在时间和值上是连续的，数字信号在时间和值上是离散的，基于这个特点，模拟电路设计在某些程度上比数字电路设计困难。模拟电路设计困难的具体原因如下： 1.模拟设计需要在速度、功耗、增益、精度、电源电压、噪声、面积等多种因素间进行折中，而数字设计只需在功耗、速度和面积三个因素间进行平衡。 2.模拟电路对噪声、串扰和其他干扰比数字电路敏感得多。 3.随着工艺尺寸的不断减小，电源电压的降低和器件的二级效应对模拟电路比数字电路的影响严重得多，给模拟设计带来了新的挑战。 4.版图对于模拟电路的影响远大于数字电路，同样的线路差的版图会导致芯片无法工作。 我的模拟集成电路设计学习之路是从拉扎维的模拟CMO集成电 路设计这本书开始，这本书在现在工作中还是会去查看，是模拟集 成电路设计的经典教材之一。我首先想谈的就是关于模拟电路设计的相关课程和教材建议。模拟电路设计跟做其他事情一样，首先要学会一些基本的准则、方法和知识点，而经典的模拟电路设计教材就是这些东西的融合体，razavi 的design of analog CMOS integrated circuits ，sansen 的analog design essentials ， 模拟电子技术基础试题汇总 1.选择题 1．当温度升高时，二极管反向饱和电流将 ( A )。 A 增大 B 减小 C 不变 D 等于零 2. 某三极管各电极对地电位如图所示，由此可判断该三极管( D ) A. 处于放大区域 B. 处于饱和区域 C. 处于截止区域 D. 已损坏 3. 某放大电路图所示.设V CC>>V BE, L CEO≈0，则在静态时该三极管 处于( B ) A.放大区 B.饱和区 C.截止区 D.区域不定 4. 半导体二极管的重要特性之一是( B )。 ( A)温度稳定性 ( B)单向导电性 ( C)放大作用 ( D)滤波特性 5. 在由NPN型BJT组成的单管共发射极放大电路中，如静态工 作点过高，容易产生 ( B )失真。 ( A)截止失真( B)饱和v失真( C)双向失真( D)线性失真 6.电路如图所示，二极管导通电压U D＝0.7V，关于输出电压的说法正确的是( B )。 A：u I1=3V，u I2=0.3V时输出电压为3.7V。 B：u I1=3V，u I2=0.3V时输出电压为1V。 C：u I1=3V，u I2=3V时输出电压为5V。 D：只有当u I1=0.3V，u I2=0.3V时输出电压为才为1V。 7.图中所示为某基本共射放大电路的输出特性曲线，静态工作点由Q2点移动到Q3点可 能的原因是 。 A：集电极电源+V CC电压变高B：集电极负载电阻R C变高 C：基极电源+V BB电压变高D：基极回路电阻 R b变高。 8. 直流负反馈是指( C ) A. 存在于RC耦合电路中的负反馈 B. 放大直流信号时才有的负反馈 C. 直流通路中的负反馈 D. 只存在于直接耦合电路中的负反馈 9. 负反馈所能抑制的干扰和噪声是( B ) A 输入信号所包含的干扰和噪声 B. 反馈环内的干扰和噪声 C. 反馈环外的干扰和噪声 D. 输出信号中的干扰和噪声 10. 在图所示电路中，A为理想运放，则电路的输出电压约为( A ) A. －2.5V B. －5V C. －6.5V D. －7.5V 11. 在图所示的单端输出差放电路中，若输入电压△υS1=80mV, △υS2=60mV,则差模输 入电压△υid为( B ) A. 10mV B. 20mV C. 70mV D. 140mV 12. 为了使高内阻信号源与低阻负载能很好地配合，可以在信 号源与低阻负载间接入 ( C )。 A. 共射电路 B. 共基电路 模拟cmos集成电路设计实验 实验要求： 设计一个单级放大器和一个两级运算放大器。单级放大器设计在课堂检查，两级运算放大器设计需要于学期结束前，提交一份实验报告。实验报告包括以下几部分内容： 1、电路结构分析及公式推导 （例如如何根据指标确定端口电压及宽长比） 2、电路设计步骤 3、仿真测试图 （需包含瞬态、直流和交流仿真图） 4、给出每个MOS管的宽长比 （做成表格形式，并在旁边附上电路图，与电路图一一对应） 5、实验心得和小结 单级放大器设计指标 两级放大器设计指标 实验操作步骤： a.安装Xmanager b.打开Xmanager中的Xstart c.在Xstart中输入服务器地址、账号和密码 Host：202.38.81.119 Protocol: SSH Username/password: 学号（大写）/ 学号@567& （大写）Command : Linux type 2 然后点击run运行。会弹出xterm窗口。 修改密码 输入passwd，先输入当前密码，然后再输入两遍新密码。 注意密码不会显示出来。 d.设置服务器节点 用浏览器登陆http://202.38.81.119/ganglia/,查看机器负载情况，尽量选择负载轻的机器登陆，（注：mgt和rack01不要选取） 选择节点，在xterm中输入 ssh –X c01n?? (X为大写，??为节点名) 如选择13号节点，则输入ssh –X c01n13 e.文件夹管理 通常在主目录中，不同工艺库建立相应的文件夹，便于管理。本实验采用SMIC40nm工艺，所以在主目录新建SMIC40文件夹。 在xterm中，输入mkdir SMIC40 然后进入新建的SMIC40文件夹， 在xterm中，输入cd SMIC40. 1． MOSFET 跨导g m 是如何定义的。在不考虑沟道长度调制时，写出MOSFET 在饱和区的g m 与 V GS ?V TH 、√D 和1V GS ?V TH 的关系表示式。画出它们各自的变化曲线。 2． MOSFET 的跨导g m 是如何定义的。在考虑沟道长度调制时，写出MOSFET 在饱和区的g m 与 V GS ?V TH 、√D 和1 V GS ?V TH 的关系表示式。画出它们各自的变化曲线。 3． 画出考虑体效应和沟道长度调制效应后的MOSFET 小信号等效电路。写出r o 和g mb 的定 义，并由此定义推出r o 和g mb 表示式。 4． 画出由NMOS 和PMOS 二极管作负载的MOSFET 共源级电路图。对其中NMOS 二极管负载共 源级电路，推出忽略沟道长度调制效应后的增益表示式，分析说明器件尺寸和偏置电流对增益的影响。对PMOS 二极管负载的共源级电路，对其增益表示式作出与上同样的分析。 5． 画出MOS 共源共栅级电路的电路图和其对应的小信号等效电路图。并推出此共源共栅 级电路的电压增益和输出电阻表示式。 6． 画出带源极负反馈电阻的以电阻作负载的MOS 共源级电路的电路图和其对应的小信号 等效电路图。写出此电路的等效跨导定义式，并由此推出在不考虑沟道长度调制和体效应情况下的小信号电压增益表示式。画出其漏电流和跨导随V in 的变化曲线图。 7． 画出带源极负反馈电阻的以电阻作负载的MOS 共源级电路的电路图和其对应的小信号 等效电路图。写出此电路的等效跨导定义式，并由此推出考虑沟道长度调制和体效应情 况下的小信号电压增益表示式。画出其漏电流和跨导随V in 的变化曲线图。 8． 画出以二极管连接的MOS 为负载的差动对和以电流源为负载的差动对的电路图。并求 出这两种电路的小信号增益。 9．下图给出一个电阻负载共源级放大器的高频模型。画出其小信号等效电路。并由此等效 电路推出其传输函数。就此传输函数，简要说明电路的零极点分布情况。 10．对如下图所示的共源级电路，画出其含有噪声的电路模型。并根据此模型图写出其输出 噪声电压V n ，out 2?????????和输入噪声电压V n ，in 2????????。 11．下图是一个电路系统的环路增益波特图，由图分析此系统的极点和零点情况。指出系统的稳定性，写出系统的开环和闭环传输函数，并由此求出闭环系统的极点公式来。 北京邮电大学 实验报告 实验题目：cmos模拟集成电路实验 姓名：何明枢 班级：2013211207 班内序号：19 学号：2013211007 指导老师：韩可 日期：2016 年 1 月16 日星期六 目录 实验一:共源级放大器性能分析 (1) 一、实验目的 (1) 二、实验内容 (1) 三、实验结果 (1) 四、实验结果分析 (3) 实验二:差分放大器设计 (4) 一、实验目的 (4) 二、实验要求 (4) 三、实验原理 (4) 四、实验结果 (5) 五、思考题 (6) 实验三：电流源负载差分放大器设计 (7) 一、实验目的 (7) 二、实验内容 (7) 三、差分放大器的设计方法 (7) 四、实验原理 (7) 五、实验结果 (9) 六、实验分析 (10) 实验五：共源共栅电流镜设计 (11) 一、实验目的 (11) 二、实验题目及要求 (11) 三、实验内容 (11) 四、实验原理 (11) 五、实验结果 (14) 六、电路工作状态分析 (15) 实验六：两级运算放大器设计 (17) 一、实验目的 (17) 二、实验要求 (17) 三、实验内容 (17) 四、实验原理 (21) 五、实验结果 (23) 六、思考题 (24) 七、实验结果分析 (24) 实验总结与体会 (26) 一、实验中遇到的的问题 (26) 二、实验体会 (26) 三、对课程的一些建议 (27) 实验一:共源级放大器性能分析 一、实验目的 1、掌握synopsys软件启动和电路原理图（schematic）设计输入方法； 2、掌握使用synopsys电路仿真软件custom designer对原理图进行电路特性仿真； 3、输入共源级放大器电路并对其进行DC、AC分析，绘制曲线； 4、深入理解共源级放大器的工作原理以及mos管参数的改变对放大器性能的影响 二、实验内容 1、启动synopsys，建立库及Cellview文件。 2、输入共源级放大器电路图。 3、设置仿真环境。 4、仿真并查看仿真结果，绘制曲线。 三、实验结果 1、实验电路图 模拟集成电路课程设计 CMOS两级运放设计 摘要 本课程设计要求完成一个两级运放的设计，采用设计工艺为CMOS的0.35um工艺技术，该工艺下器件可以等效为长沟道器件，在分析计算时可采用一级模型进行计算。本次设计主要了对于共模输入电压等指标提出了要求，详见下表。在正文中将就如何满足这些指标进行分析与讨论，并将计算结果利用cadence进行仿真，得出在0.35um工艺电路的工作情况。 电路分析 课程设计的电路图如下： 输入级（第一级）放大电路由M1-M5组成，其中M1与M2为NMOS差分输入对管，M3与M4为PMOS有源负载，M5为第一级提供恒定的偏置电流。 输出级（第二级）放大电路由M6、M7以及跨接在M6栅漏两端（即第二级电路输入与输出两端）的电容Cc组成，其中PMOS管M6为共源极接法，用于实现信号的放大，而M7与M5功能相同，为第二级提供恒定的偏置电流，同时M7还作为第二级的输出负载。Cc将用于实现第二级电路的密勒补偿，改变Cc的值可以用于实现电路中主极点与非主极点分离等功能。 偏置电路由恒流源IB和以二极管形式连接的M8组成，其中M8与M5，M7形成电流镜，M5和M7为相应电路提供电流的大小由其与M8的宽长比的比值来决定。 设计指标 本模块将根据设计要求的指标逐一进行分析： 开环直流增益：考虑直流增益时忽略所有电容的影响，画小信号图如下： 由小信号图可以得到电路中的直流增益为： A_v=-g_m1 r_02,4 g_m6 r_o6,7 式中r_02,4=r_o2 ||r_o4，r_o6,7=r_o6 ||r_o7，考虑到差分输入对管的一致性，故〖(W/L)〗_1=〖(W/L)〗_2，从而g_m1=g_m2，故上述表达式中用g_m1代为表示。 同时，考虑到下式： g_m=2I/((V_gs-V_th)) 以及表达式： r_o=1/"λI" =(V_E L)/I 从而可以将直流增益表达式表述为： A_v=-(4λ_n λ_n λ_p λ_p)/((V_gs-V_th )_1 (V_gs-V_th )_6 (λ_n+λ_p )^2 ) 同时可以将λ用V_E L替换，可以得出增益的大小在设计时只与MOS管的过驱动电压和沟道长度有关，当过驱动电压确定时（一般选取0.2V），则需要通过增加沟道长度L来提高增益。 由于对于0.35um的工艺库并不熟悉，可以通过对单管进行dc仿真，得到所需的厄利电压等参数，但在实际应用中并不需要，主要做法是根据计算得到的电路偏置电流，通过确定的过驱动电压进行单管仿真得到合适宽长比的工作在饱和区的MOS管。 单位增益带宽（GBW）：分析GBW时需要考虑电路在高频条件下的工作情况，小信号 1、 CMOS analog circuit design by P.E.ALLEN 评定：理论性90 实用性70 编写 100 精彩内容：运放的设计流程、比较器、 开关电容 这本书在国内非常流行，中文版也 翻译的很好，是很多人的入门教材。 建议大家读影印版，因为ic 领域 的绝大部分文献是以英文写成的。 如果你只能读中文版，你的学习资料 将非常有限。笔者对这本书的评价 并不高，认为该书理论有余，实用性 不足，在内容的安排上也有不妥的地 方，比如没有安排专门的章节讲述反 馈，在小信号的计算方面也没有巧方法。本书最精彩的部分应该就是运放的设计流程了。这是领域里非常重要的问题，像Allen 教授这样将设计流程一步一步表述出来在其他书里是没有的。这正体现了Allen 教授的治学风格：苛求理论的完整性系统性。但是，作为一项工程技术，最关键的是要解决问题，是能够拿出一套实用的经济的保险的方案。所以，读者会发现，看完最后一章关于ADC/DAC 的内容，似乎是面面俱到，几种结构的ADC 都提到了，但是当读者想要根据需求选择并设计一种ADC/DAC 时，却无从下手。书中关于比较器的内容也很精彩，也体现了Allen 教授求全的风格。不过，正好其它教科书里对比较器的系统讲述较少，该书正好弥补了这一缺陷。Allen 教授是开关电容电路和滤波器电路的专家。书中的相关章节很适合作为开关电容电路的入门教材。该书的排版、图表等书籍编写方面的工作也做的很好。像Allen 这样的理论派教授不管在那所大学里，大概都会很快的获得晋升吧。另外，Allen 教授的学生Rincon Moca 教授写的关于LDO 的书非常详尽，值得一读。 2、 CMOS Circuit Design Layout and Simulation CMOS Mixed-Signal Circuit Design by R.J.Baker 评定：理论性80 实用性100 编写80 精彩内容：数据转换器的建模和测量、hspice 网表这本书的风格和Allen 的书刚好相反： 理论的系统性不强，但是极为实用，甚至给出 大量的电路仿真网表和hspice 仿真图线。 这本书的中文版翻译的也很好。最近出了第二 版，翻译人员换了，不知道翻译的水平如何。 不过，第二版好贵啊~~ Baker 教授在工业界 的实战经验丰富，曾经参加过多年的军方项目 的研发，接收器，锁相环，数据转换器，DRAM 等曾设计过。所以，书中的内容几乎了包含 了数字、模拟的所有重要电路，Baker 教授 教材模拟电子技术基础（第四版）清华大学 模拟电子技术课程作业 第1章半导体器件 1将PN结加适当的正向电压，则空间电荷区将(b)。 (a)变宽(b)变窄(c)不变 2半导体二极管的主要特点是具有(b)。 (a)电流放大作用(b)单向导电性(c)电压放大作用 3二极管导通的条件是加在二极管两端的电压(a)。 (a)正向电压大于PN结的死区电压 (b)正向电压等于零 (c)必须加反向电压 4电路如图1所示，设D1，D2均为理想元件，已知输入电压u i=150sinωt V如图2所示，试 画出电压u O的波形。 答案 D 2 D 1 u O + - 图1 图2 5电路如图1所示，设输入信号u I1,u I2的波形如图2所示，若忽略二极管的正向压降，试画出输出电压u O 的波形，并说明t 1,t 2时间内二极管D 1，D 2的工作状态。 u I2 D 1 图1 图2 u I1u 答案 t 1:D 1导通，D 2截止 t 2:D 2导通，D 1截止 u i u i 第2章 基本放大电路 1下列电路中能实现交流放大的是图( b )。 2图示电路，已知晶体管β=60，U BE .V =07 ，R C k =2 Ω，忽略U BE ，如要将集电极电流I C 调整到1.5mA ，R B 应取( a )。 (a)480k Ω (b)120k Ω (c)240k Ω (d)360k Ω 3固定偏置放大电路中，晶体管的β＝50，若将该管调换为β=80的另外一个晶体管，则该电路中晶体管集电极电流IC 将( a )。 (a)增加 (b)减少 (c)基本不变 4分压式偏置放大电路如图所示，晶体T 的β=40，U BE .V =0 7，试求当RB1，RB2分别开路时各电极的电位（U B ，U C ，U E ）。并说明上述两种情况下晶体管各处于何种工作状态。 U o CC U CC U (c) (d) - o u o V 《模拟集成电路设计》复习 答疑安排： 第13周星期二（5月29日），上午9:00-11:30，下午14:30-17:00，工三310 考试题型： 七道大题：第2章一题，第3、4章各两题，第5章一题，第6、7章共一题 考试注意事项： 所有题目采用课本P32表2.1的数据，V DD=3V，C OX=3.84 10-7F/cm2，忽略漏/源横向扩散长度L D。试题会给出所需参数值。 时刻区分大信号、小信号。 时刻注意是否考虑二级效应。 题目有“推导”两字时，需给出求解过程。 必考：画小信号等效电路 复习题 例2.2补充问题：（1）分析MOS工作区间变化情况；（2）画出I D-V DS 曲线；（3）推导线性区跨导表达式。 习题2.2注意：跨导的单位。 习题2.3补充问题：给定参数值，计算本征增益的数值。注意：画曲线时需考虑λ与L的关系。 例3.5 补充问题：画出图3.21(b)电路的小信号等效电路，推导增益表达式。 习题3.2问题（b）删去。补充问题：求R out。 习题3.12解题思路：I1→V out→V GS2→(W/L)2→A v 习题3.14 输出摆幅=V DD-V OD1-|V OD2|。 解题思路：A v，R out→g m1→(W/L)1→V OD1→|V OD2|→(W/L)2 第4章课件第49页的题目差模增益-g m1(r o1||r o3)，共模增益0，共模抑制比+∞ 例4.6 习题4.18 只要求图4.38(a)-(d)。补充问题：画出半边电路。注意：画半边电路时去掉电流源M5。 习题4.25 计算过驱动电压V OD时忽略沟道长度调制效应。注意双端输出摆幅为单端时的2倍。 习题5.1问题（e）删去。问题（c）和（d）有简单的计算方法。 习题5.5问题（b）（c）删去。λ=0。 例6.4补充问题：画出低频小信号等效电路，推导低频小信号增益；写出C D、C S分别包含哪些MOS电容。 习题6.9 只要求图6.39(a)(b)(c)。 例7.11只计算热输入参考噪声电压。 习题7.11补充问题：推导小信号增益。 CMOS放大器设计实验报告 一、实验目的 1.培养学生分析、解决问题的综合能力； 2.熟悉计算机进行集成电路辅助设计的流程； 3.学会适应cadence设计工具； 4.掌握模拟电路仿真方法 6.掌握电子电路、电子芯片底层版图设计原则和方法； 7.掌握使用计算机对电路、电子器件进行参数提取及功能模拟的过程； 8.熟悉设计验证流程和方法。 二、实验原理 单级差分放大器结构如下图所示： 在电路结构中，M2和M3组成了NMOS差分输入对，差分输入与 单端输入相比可以有效抑制共模信号干扰；M0和M1电流镜为有源负载，可将差分输入转化为单端输出；M5管提供恒定的偏置电流。三、实验要求 设计电路使得其达到以下指标： 1.供电电压： 2.输入信号：正弦差分信号 3.共模电压范围为 4.差分模值范围 5．输出信号：正弦信号 6.摆率大于 7.带宽大于 8.幅值增益： 9.相位裕度： 10.功耗： 11.工作温度： 四、差分放大器分析 1、直流分析 为了使电路正常工作，电路中的MOS管都应处于饱和状态。 1.1 M2管的饱和条件: 1.2 M4管的饱和条件: 2.小信号分析 小信号模型如下： 由图可得： 2．1 增益分析 其中 2.2 频率响应分析由小信号模型易知： 其中 3．电路参数计算3．1确定电流 根据摆率指标： 根据功耗指标易知： 根据带宽指标： 综上，取: 3.2宽长比的确定 M4与M5：电流源提供的电流为，参数设为，根据电流镜原理，可以算出 M2与M3： 带入数据可得 取值为20，则取 M0与M1：这两个PMOS管对交流性能影响不大，只要使其下方的 清华大学出版社模拟电子技术习题解答(课后同步) 习题1 客观检测题 一、填空题 1、在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决于掺入的 杂质浓度 ，而少数载流子的浓度则与 温度 有很大关系。 2、当PN 结外加正向电压时，扩散电流 大于 漂移电流，耗尽层 变窄 。当外加反向电压时，扩散电流 小于 漂移电流，耗尽层 变宽 。 3、在N 型半导体中，电子为多数载流子， 空穴 为少数载流子。 二．判断题 1、由于P 型半导体中含有大量空穴载流子，N 型半导体中含有大量电子载流子，所以P 型半导体带正电，N 型半导体带负电。（ × ） 2、在N 型半导体中，掺入高浓度三价元素杂质，可以改为P 型半导体。（ √ ） 3、扩散电流是由半导体的杂质浓度引起的，即杂质浓度大，扩散电流大；杂质浓度小，扩散电流小。（× ） 4、本征激发过程中，当激发与复合处于动态平衡时，两种作用相互抵消，激发与复合停止。（ × ） 5、PN 结在无光照无外加电压时，结电流为零。（ √ ） 6、温度升高时，PN 结的反向饱和电流将减小。（ × ） 7、PN 结加正向电压时，空间电荷区将变宽。（× ） 三．简答题 1、PN 结的伏安特性有何特点？ 答：根据统计物理理论分析，PN 结的伏安特性可用式)1e (I I T V V s D -?=表示。 式中，I D 为流过PN 结的电流；I s 为PN 结的反向饱和电流，是一个与环境温度和材料等有关的参数，单位与I 的单位一致；V 为外加电压； V T =kT/q ，为温度的电压当量（其单位与V 的单位一致），其中玻尔兹曼常数k .J /K -=?2313810，电子电量 1 《模拟集成电路设计原理》期末考试 一．填空题（每空1分，共14分） 1、与其它类型的晶体管相比，MOS器件的尺寸很容易按____比例____缩小，CMOS电路被证明具有_较低__的制造成本。 2、放大应用时，通常使MOS管工作在_ 饱和_区，电流受栅源过驱动电压控制，我们定义_跨导_来表示电压转换电流的能力。 3、λ为沟长调制效应系数，对于较长的沟道，λ值____较小___（较大、较小）。 4、源跟随器主要应用是起到___电压缓冲器___的作用。 5、共源共栅放大器结构的一个重要特性就是_输出阻抗_很高，因此可以做成___恒定电流源_。 6、 6、由于_尾电流源输出阻抗为有限值_或_电路不完全对称_等因素，共模输入电平的变化会引起差动输出的改变。 7、理想情况下，_电流镜_结构可以精确地复制电流而不受工艺和温度的影响，实际应用中，为了抑制沟长调制效应带来的误差，可以进一步将其改进为__共源共栅电流镜__结构。 8、为方便求解，在一定条件下可用___极点—结点关联_法估算系统的极点频率。 9、与差动对结合使用的有源电流镜结构如下图所示，电路的输入电容Cin为__ CF（1－A） __。 10、λ为沟长调制效应系数，λ值与沟道长度成___反比__（正比、反比）。 二．名词解释（每题3分，共15分） 11、1、阱 解：在CMOS工艺中，PMOS管与NMOS管必须做在同一衬底上，其中某一类器件要做在一个“局部衬底”上，这块与衬底掺杂类型相反的“局部衬底”叫做阱。 2、亚阈值导电效应 解：实际上，VGS=VTH时，一个“弱”的反型层仍然存在，并有一些源漏电流，甚至当VGS 模拟集成电路设计软件实验教程 月4年2006 1 目录 实验一自上而下(Top-Down)的电路设计 (3) Lab 1.1 启动软件 (3) Lab 1.2 自上而下的系统级仿真 (3) Lab 1.3 电路图输入 (7) Lab 1.4 模块的创建 (10) Lab 1.5 电源的创建 (12) Lab 1.6 建立运放测试电路 (14) 实验二使用Spectre Direct进行模拟仿真 (17) Lab 2.1 运行仿真 (17) Lab 2.2 使用激励模板 (28) Lab 2.3 波形窗的使用 (32) Lab 2.4 保存仿真状态 (36) Lab 2.5 将仿真结果注释在电路图窗口 (37) 2 实验一自上而下(Top-Down)的电路设计Lab 1.1 启动软件 实验目的: 掌握如何启动模拟电路设计环境. 实验步骤: 1.进入Linux界面后,点击鼠标右键,选中New Terminal,则会弹出一个交互终端. 2.进入教程所在目录后,输入命令cd Artist446 (注意:cd后必须有空格;命令行大小写敏感) 3.在同一个交互终端内,输入命令icms &,在屏幕底部会出现一个命令交互窗(Command Interpreter Window,CIW).如果出现What's New窗口,可使用File-Close命令关闭. Lab 1.2 自上而下的系统级仿真 实验目的: 掌握如何对含AHDL模块的模块级设计进行仿真. 实验步骤: 1.在CIW中选择Tool-Library Manager,会弹出库管理器(Library Manager). 2.在库管理器中,用鼠标左键选中training,则cell中会显示出training库中所有的cell;在training 的所有cell中用左键选中peakTestv;用鼠标中键(或右键)打开(open)view中的schematic.将会出现如下图所示的测试电路: 3 点击左当该模块四周出现一高亮黄色虚线框时,将鼠标置于图中peakDetectv模块上,3. . ,则模块四周线框变为白色实线框键选中该模块EditDesign-Hierarchy-Descend 设置Name将View ,,弹出Descend对话框4.选择: peakDetectv模块的电路图OK.为schematic,然后点击则出现专升本CMOS模拟集成电路分析与设计试卷答案
3.2模拟集成电路设计-差分放大器版图
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