北邮-模拟集成电路设计-CMOS-实验报告

模拟CMOS集成电路设计实验报告Synopsis电路仿真实验学院：电子工程学院班级：学号：姓名：指导教师：尹露目录实验一：共源极放大器性能分析 (4)一、实验目的 (4)二、实验内容 (4)三、实验步骤 (4)1. 启动软件 (4)2. 电路原理图绘制 (5)3. 电路仿真 (5)四、实验电路图 (6)五、频率特性曲线 (6)六、实验结果分析与结论 (8)1. 实验器件参数 (8)2. 实验条件 (8)3. 仿真结论 (9)实验二：各类共源极放大器特性分析 (10)一、实验目的 (10)二、实验内容 (10)三、实验步骤 (10)四、电路元件参数对放大电路的影响 (11)1. 实验电路图 (11)2. 测量输出电阻电路图 (12)3. 仿真结果 (13)4. 结果分析 (14)五、用二极管连接作为负载对放大电路的影响 (15)1. 实验电路图 (15)2. 测量输出电阻电路图 (16)3. 仿真结果 (17)4. 结果分析 (18)六、电流源作为负载对放大电路的影响 (18)1. 实验电路图 (19)2. 输出电阻电路图 (20)3. 仿真结果 (20)4. 结果分析 (21)七、共源极作为负载对放大电路的影响 (21)1. 实验电路图 (22)2. 输出电阻电路图 (22)3. 仿真结果 (23)4. 结果分析 (24)实验三：差分放大器设计 (25)一、实验目的 (25)二、实验准备 (25)三、差分放大器的设计方法 (25)四、电路的设计要点 (25)五、实验内容 (26)六、实验步骤 (26)七、实验原理图 (26)八、实验电路图 (27)九、实验结果 (28)1. 幅频特性曲线 (28)2. 不同MOS管宽长比和电阻对应放大倍数 (29)3. 结果分析 (30)十、遇到的问题与解决方法 (31)十一、实验总结与感受 (31)实验一：共源极放大器性能分析一、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、实验步骤1.启动软件1)通过xmanager 远程连接到linux操作系统的服务器的图形界面；2)打开终端窗口创建实验所需的文件目录并导入元件库。

创建文件夹analog：mkdir analog●进入目录：cd analogcp●导入元件库文件：–r /homel/student/lib/cmos_lib/* .3)启动synopsys公司的仿真软件custom designer。

●输入终端命令cdesigner2.电路原理图绘制1)建立工作库：new library，并为库命名：shiyan；2)建立单元：new cellview，并为单元命名：fangdaqi；3)绘制电路：添加元件（注意元件的名称和类型）、设置元件格式及参数（注意MOS 管的Model name 设置应为N）、添加连线、添加管脚等；3.电路仿真1)添加仿真库文件添加设置直流静态工作点分析和交流分析；2)仿真生成网表并查看分析结果；3)选择Results/Annotate/DC Node Voltages 在原理图中显示各节点直流电压;4)选择Print/DC Node Voltages 打印电压结点值；5)选择Results/Plot 绘制幅频和相频曲线；6)选择Results/Plot 绘制幅频和相频曲线；四、实验电路图电路图如下。

NMOS管沟道宽长比设置为10，宽w=10u，长l=1u。

负载电阻r设为1000Ω。

直流偏置电压V16为3V，电压源V15直流电压为1V，交流电压1.2V，相位为0。

五、频率特性曲线在仿真之后通过plot 绘制曲线。

首先添加两个节点：v(/out)和phasev(/out)，其中v(/out)通过选择图中输出端得到，phase 为手动添加的前缀符号，用于绘制相频特性曲线。

绘图过程如下图所示：图2添加节点完毕后，点击上图所示的plot 按钮，则可以绘制出上下两幅图，一幅为幅频特性曲线图，一幅为相频特性曲线图。

点击下图左侧的名称、参数栏，向上拖拽，将两幅图合成一幅图，即使用一幅图同时显示幅频特性曲线和相频特性曲线，这样更有益于观察频率与幅度、相位的关系。

合成图如下图所示：（图像同样做了颜色处理）六、实验结果分析与结论1.实验器件参数NMOS 管沟道宽度：10umNMOS 管沟道长度：1umNMOS 管沟道宽长比：10/1 = 10栅源极间所接电容值：C = 1pF （由实验原理图可读出）漏极电阻：RD = r = 1kΩ（由实验原理图可读出）2.实验条件输入直流电压：1.2V（由实验原理图可读出）输入交流电压：1V3.仿真结论由仿真结果可以看出，gm = 403u，因此放大电路的电压放大倍数为Av = gm * Rd = 403 × 10 − 6 × 1000 = 0.403 = −20lg0.403dB =7.9dB实验二：各类共源极放大器特性分析一、实验目的1.深入理解不同类型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。

2.深入理解不同类型共源级放大器的特性及差别。

二、实验内容1.在实验一设计电路基础上，观察在调试电路过程中，不同电路元件参数时电路的关键参数。

2.用二极管连接的负载代替R D，通过调节MOS管参数，观察二极管负载放大电路与电阻负载放大电路的异同点。

3.用电流源连接的负载代替二极管，通过调节MOS管参数，观察电流源负载放大电路与电阻/二极管负载放大电路的异同点。

4.分别在电阻连接的负载共源级(R D= 10k )，加入源级负反馈电阻，通过调节MOS管参数，观察放大电路电流/等效跨导/放大倍数与输入电压的关系，并作图。

三、实验步骤1.绘制电路图2.粗略确定电路中的元件参数3.根据要求调整元件参数4.仿真，并生成网表5.观察电路参数变化。

四、电路元件参数对放大电路的影响在实验一设计电路基础上，观察在调试电路过程中，不同电路元件参数时电路的关键参数。

具体操作：分别改变源极负载电阻R D 大小以及沟道宽长比，观察共源极放大电路的放大倍数Av、截止频率fc、输出电阻Ro以及NMOS管的跨导gm的变化趋势，可以了解到不同电路元件参数对电路放大性能的影响。

特别注意：要在合适的范围之内调节变量的值，以保证三极管工作在饱和区。

1.实验电路图元件参数设置：（如截图所示）NMOS宽长比为1，其中固定L=1u，电源参数可以从图中清晰地读出，其中vdc为直流电压值，初始值为1.2V，acm 为交流电压值，初始值为1V，acp 为相位，设为0。

初始值Rd=10kΩ。

2.测量输出电阻电路图测量输出电阻需要改动电路。

将所有电压源置为0，并且在输出端连接电压源，其中直流成分为1V，交流成分为1V，正极接输出端，负极接地。

仿真后可以得到输出端流过的电流。

用所接电压源电压除以电流可得到输出电阻阻值。

3.仿真结果参数计算说明：-跨导Gm通过显示的器件特性读出。

-输出电阻Ro通过前文所述的测量输出电阻的电路得出。

-增益Av = Vout / Vin =Vout(dB) – Vin(dB) = Vout(dB) –20log101 = Vout(dB)调节R D 大小（w/l=1）R D/kΩ 5 10 12.5 15A v/dB 2.82 8 7.61 1.5调节沟道宽长比（R D =10kΩ）4.结果分析1)负载电阻对放大电路性能的影响分析第一个表格，在三极管工作在饱和区的范围内，随着R D 增大，放大倍数先增大后减小，说明放大倍数存在最大值，由表格中所示数据的变化趋势可以粗略判断在R D =10kΩ附近。

三极管跨导减小。

截止频率变化趋势不是单调的，接近放大倍数最大值之处截止频率较低。

电路的输出电阻约等于负载电阻R D ，说明三极管在输出端的等效电阻非常小。

2)沟道宽长比对放大电路性能的影响从第二个表格中可以看出，随着三极管沟道宽长比w/l增大，放大倍数先增大后减小，说明放大倍数存在最大值，由表格中所示数据的变化趋势可以粗略判断在w/l=1附近。

三极管跨导增大。

截止频率增大。

电路的输出电阻均为10kΩ，等于负载电阻R D ，也说明三极管在输出端的等效电阻非常小，并且不受沟道宽长比影响。

综合以上分析，可知负载电阻和沟道宽长比都会影响电路放大性能，并且存在使得放大电路放大性能最佳的范围。

因此在设计共源极放大电路时，应通过理论计算和实际测量相结合得到最佳的电路参数。

五、用二极管连接作为负载对放大电路的影响用二极管连接的负载代替RD，通过调节MOS管参数，观察二极管负载放大电路与电阻负载放大电路的异同点。

具体操作：在仿真电路图中，将R D 替换为NMOS管，并且将栅极和漏极短接。

这时，此NMOS器件作为一个二极管连接器件在电路中起到一个小信号电阻的作用。

在工程中，在许多CMOS条件下制作精确控制阻值或者具有合理物理尺寸的电阻是很困难的，因此使用MOS管代替R D。

1.实验电路图元件参数设置：（如截图所示）NMOS宽长比为1，其中固定L=1u。

电源参数可以从图中清晰地读出，其中vdc为直流电压值，初始值为1.2V，acm 为交流电压值，初始值为1V，acp 为相位，设为0。

作为负载的NMOS管固定w=1u，l=1u。

2.测量输出电阻电路图测量输出电阻需要改动电路。

将所有电压源置为0，并且在输出端连接电压源，其中直流成分为1V，交流成分为1V，正极接输出端，负极接地。

仿真后可以得到输出端流过的电流。

用所接电压源电压除以电流可得到输出电阻阻值。

3.仿真结果说明：等效R D =Vgs/Id。

NMOS管的Vgs和Id都可以通过仿真后显示直流电压直接从图中读到。

W/L 0.8 1 1.2 1.5等效R D/kΩ 5.01 9.28 6.43 7.35A v/dB 4.07 1.83 0.36 -1.53g m/m 0.270 0.276 0.278 0.27926.5 35.1 42.5 51.9截止频率/MHz输出电阻/kΩ387.3M 351.6 322.1 286.3对比：电阻负载（RD=10kΩ）4.结果分析与电阻负载的放大电路相比，二极管作为负载的放大电路增益较小，输出电阻非常大。

根据理论，Av=-([u1*(w/l)1]/[u2*(w/l)2])^(1/2),采用二极管连接的共源极的增益是器件尺寸比较弱的函数。