集成電路分析與設計實驗(2)LAB3CMOS兩級放大器分析與設計實驗實驗報告PAGE0集成電路分析與設計實驗(2)實驗報告實驗名稱實驗三CMOS兩級放大器分析與設計實驗實驗設備(1)計算機(2)CadenceVirtuosoADE5.1.41(3)CadenceSpectre實驗目的①熟悉并掌握使用提取的指定工藝(TSMC0.35um混合信號工藝)的器件的電學參數進行電路設計②熟悉并掌握NMOS輸入管差分對輸入PMOS共源兩級放大器設計、PMOS輸入管差分對NMOS共源兩級放大器分析與設計③熟悉并掌握兩級放大器相應指標的分析與仿真驗證方法實驗內容①根據設計指標，完成給定的電路設計(預習)②根據要求調整靜態工作點，使其和設計符合(OP分析)③交流小信號分析電路的差模頻率響應、共模頻率響應、CMRR(AC分析)④DC分析共模輸入范圍、輸出電壓范圍、共模輸入電平對差分對跨導的影響⑤電源抑制比PSRR的分析與驗證、零極點分析⑥parametricanalysis分析共模輸入電平對差模增益的影響=7\*GB3⑦壓擺率（轉換速率）SR分析=8\*GB3⑧溫度掃描分析實驗報告要求1.實驗前按要求閱讀實驗操作文檔，熟悉實驗過程及操作步驟,設計給定電路(計算參數)2.按實驗報告要求操作、仿真電路、記錄數據(波形)、處理數據(波形)3.課后完成實驗報告請在下次實驗課前提交實驗記錄：實驗3.2靜態工作點分析與調整(OP)實驗3.3頻率響應分析(AC)實驗3.4零極點分析及調零電阻（PZ分析）實驗3.5共模則增益及共模抑制比CMRR實驗3.6共模輸入范圍分析(DC)實驗3.7輸出電壓范圍分析(DC)實驗3.8正負電源抑制比PSRR±分析(AC)實驗3.9共模輸入電平對差分對差模增益的影響(parametricanalysis)實驗3.10壓擺率（tran分析）實驗3.11溫度掃描分析電路設計部分(預習完成)依據實驗3.3.1預定設計指標，根據以下分析過程，估算設計靜態工作點①約束條件：過驅動電壓M1/M2(輸入管)M3/M4(負載管)M5(長尾管)M6(共源放大管)M7(共源負載管)0.2V0.2V0.2V0.2V0.2V②根據頻率響應和相位裕度要求確定第一級差分對電流和第二級電流比例以及密勒電容ID6/ID1倍數CLCc63pF1.3pF③根據單位增益帶寬、壓擺率估算電流(注意不要超過靜態功耗的約束條件)M1/M2(輸入管)M5(長尾管)M6(共源放大管)100uA200uA600uA④根據直流差模增益/共模增益指標估算器件溝道長度M1/M2(輸入管)M3/M4/(負載管)M5(長尾管)L=1.2um=0.04L=2.5um=0.04L=1.2um=0.04注意M3、M4、M6的L一致，M5和M7的L一致M6(共源放大管)M7(共源電流偏置)L=2.5um=0.04L=1.2um=0.04⑤根據過驅動電壓。工藝跨導計算器件寬長比，從而確定器件最終尺寸(單位：um)M1/M2(差分對輸入管)M3/M4(差分對負載管)M5(差分對長尾管)W/LWLW/LWLW/LWL22.827.36um1.2um83.2208um2.5um45.654.72um1.2umM0(鏡像電流源)M6(共源放大管)M7(共源負載管)W/LWLW/LWLW/LWL22.827.36um1.2um499.21248um2.5um136.8164.16um1.2um器件電流和溝道長度參數計算過程(將計算結果拍照后截圖放入下面邊框中)(請在此處貼上計算器件溝道長度參數的手寫計算過程截圖，作為預習依據)FigureSEQFigure\*ARABIC1器件電流及溝道長度分析預習根據器件電流計算器件寬長比和溝道寬度計算過程(計算過程拍照后截圖放入下框中)(請在此處貼上計算器件寬長比和溝道寬度參數的手寫計算過程截圖，作為預習依據)FigureSEQFigure\*ARABIC2器件寬長參數分析預習依據計算的器件參數，根據以下分析過程，驗證設計指標根據靜態工作點的計算結果，計算以下器件參數gm(單位uA/V)ro(單位kΩ)Cgs(單位fF)Cgd(單位fF)M1/M2(輸入管)100025098.4965.00688M3/M4(負載管)1000250156038.064M5(長尾管)2000125196.99210.01376M6(共源放大管)600041.669360228.384M7(共源負載管)600041.66590.97611.74128根據上表計算的參數，計算驗證兩級放大器的差模增益、共模增益、共模抑制比、主極點、次極點、右零點、單位增益帶寬、相位裕度、正負電源抑制比、共模輸入范圍、輸出電壓范圍。并將這些計算過程拍照后填入下面虛框中，作為預習依據。這些計算過程拍照后填入下面虛框中，作為預習依據。估算CMOS兩級放大器頻率響應特性差模增益(V/V)15600差模增益(dB)83.86共模增益(dB)-12.04共模抑制比CMRR(dB)95.9主極點7.4KHz次極點28MHz右零點735MHz單位增益帶寬115MHz相位裕度14°調零電阻Rz0.83KOh正電源抑制比PSRR+89.89負電源抑制比PSRR-∞共模輸入電壓范圍[0.2V,2.15V]輸出電壓范圍[0.2V,3.1V]壓擺率SR+114V/us壓擺率SR-133V/us電路頻率響應結果計算過程(將計算結果拍照后截圖放入下面邊框中)FigureSEQFigure\*ARABIC3電路頻率響應結果分析預習電路仿真實驗部分（課堂完成）實驗3.2靜態工作點分析及調整【實驗報告打印出來后再使用筆填寫】實驗3.3頻率響應分析(不帶調零電阻Rz)低頻增益(dB)81.155-3dB頻率1.71KHz單位增益帶寬15.69MHz相位裕度41°AC分析，抓出低頻增益和-3dB頻率坐標FigureSEQFigure\*ARABIC4低頻增益和-3dB頻率AC分析，抓出0dB坐標和0dB頻率對應的相位坐標FigureSEQFigure\*ARABIC50dB坐標和0dB頻率實驗3.4零極點分析PZ分析，抓出未加調零電阻電路的零極點頻率FigureSEQFigure\*ARABIC6未加調零電阻電路的零極點頻率PZ分析，抓出加調零電阻后電路零極點頻率【注：后面仿真都加調零電阻】FigureSEQFigure\*ARABIC7加調零電阻后電路零極點頻率AC分析，抓出加調零電阻后0dB坐標和0dB頻率對應的相位坐標FigureSEQFigure\*ARABIC8加調零電阻后0dB坐標和0dB頻率對應的相位實驗3.5共模增益頻率響應分析低頻共模增益(dB)-3.57825低頻CMRR(dB)84.733AC分析，抓出共模增益和CMRR幅頻特性曲線，并標注低頻共模增益和低頻CMRRFigureSEQFigure\*ARABIC9共模增益頻率曲線FigureSEQFigure\*ARABIC10CMRR幅頻特性曲線實驗3.6共模輸入范圍分析Vin(min)0.96VVin(max)2.74VDC分析，抓出共模輸入范圍，并標注出關鍵點FigureSEQFigure\*ARABIC11共模輸入范圍實驗3.7輸出電壓范圍分析Vout(min)0.2VVout(max)2.6VDC分析，抓出輸出電壓范圍，并標注出關鍵點FigureSEQFigure\*ARABIC12輸出電壓范圍實驗3.8電源抑制比PSRR分析正電源增益(dB)-8.521PSRR+(dB)89.68負電源增益(dB)-28.6PSRR-(dB)109.73AC分析，抓出正電源增益幅頻特性和PSRR+幅頻特性，并標注出相應低頻值FigureSEQFigure\*ARABIC13正電源增益幅頻特性和PSRR+幅頻特性曲線AC分析，抓出負電源增益幅頻特性和PSRR-幅頻特性，并標注出相應低頻值FigureSEQFigure\*ARABIC14負電源增益幅頻特性和PSRR-幅頻特性曲線實驗3.9差模增益隨共模電平變化曲線parametricanalysis分析，分析差分對差模增益隨共模電平變化曲線FigureSEQFigure\*ARABIC15差分對差模增益隨共模電平變化曲線實驗3.10正負壓擺率仿真Tran分析，分析兩級放大器的正負壓擺率SR+30SR-27Tran分析，抓出輸出電壓范圍，并標注出關鍵點FigureSEQFigure\*ARABIC16Tran分析輸入輸出范圍FigureSEQFigure\*ARABIC17Tran分析SR+、SR-實驗3.11溫度對兩級放大器輸出靜態工作點的影響(溫度失調)DC分析，抓出輸出電壓隨溫度漂移而引起的漂移范圍FigureSEQFigure\*ARABIC18輸出電壓隨溫度漂移而引起的漂移分析總結部分(本頁自成一頁)CMOS差分對放大器設計指標對比工藝TSMC035MM2P4M標準CMOS設計指標實驗給定值手算結果仿真結果負載電容CL=3pF=3pF=3pF密勒補償電容Cc=1.3pF=3pF靜態功耗單號<3mW，雙號<4mW3mW3mW共模輸入范圍[1V,3V][0.2V,2.15V][0.96V,2.74V]輸出擺幅越大越好[0.2V,3.1V][0.2V,2.6V]直流增益單號大于10000倍(44dB)雙號大于12000倍(40dB)15600倍（83.86dB）11422倍（81.155dB）共模抑制比至少比差模增益大10dB95.984.733電源抑制比至少比差模增益大10dB89.8999.705壓擺率SR20V/us114V/us28.5V/us單位增益帶寬(無Rz)單號>15MHz;雙號>10MHz115MHz15.7MHz單位增益帶寬(有Rz)115MHz18.45MHz相位裕度(無Rz)大約60°14°41°相位裕度(有Rz)60°課程名稱集成電路分析與設計實驗(2)課程代號Title實驗三CMOS兩級放大器分析與設計實驗PROCESSTSMC0.35UMMIXEDSIGNAL2P4MPOL