全差分运放实验

1、 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 两级CMOS全差分运算放大器的设计和仿真2 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 1、软件的安装2 HYPERLINK l bookmark17 o Current Document Cadence orcad 的安装2 HYPERLINK l bookmark21 o Current Document Hspice 的安装2 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 1.3Cosmos Sco

2、pe 的安装2 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 2、实验要求2 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 3、电路图手工计算33.1运放主结构计算33.2偏置电路53.3共模反馈电路7 HYPERLINK l bookmark169 o Current Document 4、使用Orcad绘制电路图7 HYPERLINK l bookmark172 o Current Document 5、 电路仿真 11 HYPERLINK l bookmark176 o Current Document 6、仿真

3、结果查看13 HYPERLINK l bookmark180 o Current Document 7、其他性能参数的仿真15两级CMOS全差分运算放大器的设计和仿真1、软件的安装在该试验中要用到三个软件，分别为Cadence orcad （绘制电路图与网表提取工具）， Hspice （电路仿真工具）和Cosmos Scope（仿真结果查看工具）。所有用到的软件安装程序 均放在D盘EDA文件夹中。Cadence orcad 的安装打开D盘中的edaOrCad9.23，点击Setup.exe，点击下一步，到输入Install Code步骤， 打开Crack文件夹中的Install.tex文件，将

4、Orcad Capture后面的码复制到Install Code里， 然后点击下一步。直至安装完毕。Hspice的安装打开D盘edahspice_vA-2008.03，点击Hspice的安装程序进行安装，均点击下一步， 直至安装结束。然后将该文件夹中的hspice2008.lic文件拷贝到C:synopsysHspice_A-2008.03 下。右键点击电脑桌面我的电脑/属性/高级/环境变量/系统变量（如果只想让管理员用，则 是administrator的用户变量）/新建/变量名lm_license_file变量值就是license文件的路径， /hspice2008.lic，也就是变量值为

5、C:synopsysHspice_A-2008.03hspice2008.lic 然后确定。1.3Cosmos Scope 的安装打开 D 盘 edacosmos2007HSpice_CosmosScope_Z-2007.03-SP1_win,点击安装程序进 行安装。然后将 edacosmos2007hspice-license 文件夹中 的 cosmos2007.dat 文件拷贝 到 C:synopsysZ-2007.03-SP1 文件加下。右键点击电脑桌面我的电脑/属性/高级/环境变量/系统变量，点击刚才新建的变量，也 就是lm_license_file，在先前输入的变量值后面，输入分号，

6、然后输入 C:synopsysZ-2007.03-SP1cosmos2007.dat，也就是 Hspice 和 Cosmos 两者的变量值用分号 隔开。2、实验要求在本实验中，要求所设计的运算放大器采用5V电源电压，负载电容为5pF，满足直流 增益80dB，单位增益带宽20MHz，相位欲度大于60度，差分压摆率（slew rate）100V/us。3、电路图手工计算该运放电路由运放主结构，偏置电路和共模反馈电路三部分组成。3.1运放主结构计算图1运放的主电路结构首先，我们从CSMC 0.5um工艺库文件中得到工艺参数：r C = 112.99 x10-6 F / V / S，r C = 71.

7、77 x10-6 F / V / S，Vhn = 0.7231V，V =0.906V1、确定Miller补偿电容Cc为了保证相位裕量有60 0，我们要求第二极点2和零点七满足以下两个条件：w 10w，w 2w T gm9 10 g-m1，gm9 2 g-m1。z u p uCCCCCLCC贝0，CC 0.2Cl = 0.2 x5 pF = 1 pF，这里，我们取 CC = 2pF。2、确定两级放大器中的工作电流共模负反溃的输入端电流与差模输入端相同，因此输入级的工作电流I = 1 SR C = 50V / us 2pf = 50uADS12 C由于有一些寄生电容，并尽可能提高设计性能，预留一些

8、余量。可以取IDS1= 200uA， 则 I 13 = 400uA。2 C L CMFB输出级工作电流为，IDS =丝(C_ + C + c) = 800A。同样，由于有一些寄生电容，预留一些余量取I= 900M。DS ,113、计算放大管的跨导gm根据全差分Slew Rate要求，SR = 1.5 X 2，DS1 = DSu g m1DS1CC3;俨弋=3 V w。212 eff 1 uDS1Veff 14、M1管的有效电压，V =； = 0.425V。eff 13 Wu HYPERLINK l bookmark125 o Current Document 21M1 管的跨导 g =ds1

9、= 0.941x10-3 A / V。m1Veff 1WWWg =2h c (了)1 (;) = (了)。(该处由同学自己计算)m1 P ox L 1 DS1 L 2 L 1根据第二极点是单位增益带宽的两倍，七=2w尸C = 2 X C。LCM9 管的跨导 g 9 = 2 x Cm1 X CL = 4.705 x 10-3 A / VC胛 Wg =舟 C (了)I - (?)(该处由同学自己计算) m9n ox L 9 DS 9L 9W W(L)9= M)10，M9管的有效电压匕92IDS9 = 0.383k。gm 9电流源偏置管和Cascode管的尺寸假定电流源偏置管M13、M11、M12、

10、M7和M8，和Cascode管M3-M6的有效电压=0.3V，Veff这样可以计算出所有管子的尺寸参数。W假定-=0，则(了)13eff 132IDf13， (该处由同学自己计算)H fox”W(LIDS4+W) I() DS 13L 13=1 - (W)2 L 11=(W) = 9(W)，(W) = (W)(该处由同学自己L 124 L 13 L 11 L 12计算)M11-M12管子的有效电压，匕11=匕12= 0。假定V广0M、取C如（该处由同学自己计算）假定V广。W、21则（甘）=L 5号稿,w、 ，w、（L）5=（ L）6 （该处由同学自己计算）假定V3 = 0则(L)321DS3叩

11、匕3221八，Cascode 管M3 的跨导为，g =ds = 2x 10-3A/V。m3 Veff 35、Miller补偿电阻RC的确定我们将零点从右半平面移动左半平面，并且使其为单位增益带宽频率w的1.2倍，则RC总 门 Ohom。（该处由同学自己计算） ml由此，运放主结构的各个晶体管尺寸和电容电阻值均计算出来，在这里可以取所有管子的 L=2um03.2偏置电路1、偏置电压的估算偏置电压的估算匕=VDD - (Vh + Vff 13) = 5 (0.906 + 0.4) = 3.694V = V + (V + V ) - V - (V + V )b 2 in,comth, p eff 1

12、SD1th, p eff 3=2.5 + (.906 + 0.531) - 0.5 - (0.906 + 0.4) =2.131 V= V + V + V = 0.723 + 0.4 + 0.4 = 1.523Vb3th ,nDS 7DS 5ti = * +匕刃=0.723 + 0.4 = 1.123V (该电压并不由偏置电路产生，而是 由共模反馈电路提供)图2偏置电路2、偏置电路管子尺寸的计算在共源共栅输入级中需要三个电压偏置，为了使得输入级的动态范围大一些，根据宽摆幅电流源的设计要求，必须满足WWW(-)=(-)=(-)L blLb 2Lb 3(3-9)WWW WWW W()=()=()=

13、(一)=(一)=()=4()L b5L b 6L b13 L b 7L b8 L b14Lb 4WO)-()()4()L b10L bllL b12(3-11)设定偏置电流IbE25uA，这样所有管子中的电流均为25曲，设定匕0，计算 可以得到Mb1-Mb12的尺寸为：WWW(-)=(-)=(-)L b1L b2L b3(-)=(-)=(-)=(-)=(-)L b5L b 6 L b 7L b 8L b 9W(L )b 4W(L)b1W=(L)bn（该处由同学自己计算）3.3共模反馈电路图3是采用的共模负反馈实现结构，其工作原理如下：当(Voutn+V)utp)/2Vcom时，反 馈电平降低，

14、导致输出管的栅极电压升高，从而把输出电压拉下，最终使差分输出的共模值 稳定在Vcom左右；当(Voutn+Voutp)/2VcomBt，反馈电平Vcmfb升高，导致输出管栅极电压 降低，从而把输出电压抬高，最终使差分输出的共模值稳定在Vcom左右。在该电路中，Vb1与运放主结构的Vb1为同一个电压，Vcm=2.5V，Vcmfb就是反馈回运 放主结构的电压，也就是图1中的Vcntrl。采运放输出的电阻电容取值都很大，在这里可以 取电阻为100M，电容为5pF。图3共模电路共模负反馈放大器输入级与差模放大器输入级相匹配，直流工作电流相同。为了提高增 益也采用Cascode结构，因此管子尺寸与运放主

15、结构直接相关：W W(L)1广(L)，WW1 W(L)广(L)e = 2(L)1WW(L *广？W 2 ,W、(；)18= * (该处由同学自己计算)4、使用Orcad绘制电路图打开 Orcad，点击 file-new-project，弹出对话框，在 name 上填写 full opamp，在 Location 处，点击Browse，建立自己的工作目录(此处建立目录名不要使用中文，否则Hspice2008无法仿真）并将路径指定到该工作目录下。然后点击OK。在弹出的空白页面处，点击p键，弹出如下对话框，点击Add Library按钮，按如下路 径Library-pspice找到source.ol

16、b文件，然后打开，这样source.olb库文件被添加上。同样方 式将D:edalib文件夹下的CSMC.OLB和HSPICE.OLB两个库文件添加上。图4添加MOS管：空白界面处点击p键，弹出图4所示界面，此时为已经添加了库文件的 界面。找到CSMC库，其中nvp为此设计中使用的PMOS管，nvn为使用的NMOS管。选 中所需要的管子，然后点击OK就可以将管子添加到电路图界面。双击W=20u或者L=0.6u 就可以更改管子的宽长比。连线：点击w键，就可以将两点连在一起。为连线起名：在电路图绘制界面的最后侧，找到N1按钮，如图5所示，点击该按钮， 输入为某根连线所命的名字，然后将鼠标放置到该线

17、上，就可以为线命名。在电路中，当两 根线起相同的名字，表明这两根线连在一起。添加电源和地：首先在绘制电路图时，为图中电源线命名vcc，为图中的地线添加地信GND号，方式如下：点击吉图标，找到source库中的0，然后添加到图中的地线上。之后点击 p键，找到source库中的vdc，并将该电压值设为5V，并绘制如图6所示。V ccV1swell：旦-需要添加交流小信号，所添加的激励方vo+和vo-分别为运放的输出，电压源图6添加输入激励信号：全差分运放的交流仿真中， 式如图7所示。图中vin+和vin-分别为运放的输入 V2和V3为交流信号源，在source库中，为VAC信号源。电容U4、U5和

18、电阻U2、U3在 CSMC库中，设定电容值为1F（注意：更改电容值时，就将该值改为1，不要加F，否则就 变为了 1fF），电阻值设为100meg。图7添加库文件和仿真语句：找到CSMC库，将该库中的Templete添加到页面处。双击每 一行就可以更改语句。将语句改为如图8所示。第一行表示仿真所用的库文件的路径，该文 件放置在D:edalib下，为了方便，将该文件拷贝至D盘根目录下。.op表示静态工作点分 析，.ac dec 100 1 1G,表示在频率1至1G范围做频率分析。.lib d:h05hvcddtt09v0l lib ttop.ac dec 100 1 1G图8最后绘制完成的运放电路

19、图如图9和图1 （该图中删除了管子的宽长比和电阻电容值）， 图中所需要的电流源在source库中，为idc。图9运放主结构和共模反馈电路5、电路仿真电路图绘制完后，点击将下图11所示的对话框选中，然后在横栏处如图12所示，点击 Create netlist按钮，弹出如图13所示对话框，点击Pspice按钮，然后将文件的后缀名由net 改为sp。点击确定。启动Hspice工具，点击Open，打开上一步提取出的网表文件，界面如图14所示。然 后Edit NL，对提取出来的网表文件进行修改，找到网表文件的最后部分，对lib文件的路 径进行修改，在提取过程中丢失了表示路径的，在这里将 添加上即可，如图

20、15所示例子。 然后点击Simulate进行仿真。图11陞|急|%|性I U?|町|叫建|w|ii| S 包囹Create netli st图12图14.libad:h05hucddtt09u01.lib tt.op .acdec 100 1 1G.end修改前.libd:hO5hucddtt09u01.lib tt.op .acdec 1OQ 1 1G.end修改后图156、仿真结果查看首先看电路的直流工作点是否正确，也就是看各个管子所处的工作区。点击Hspice界 面的Edit LL，找到该文件的最后部分，可以看到各个管子的直流工作点分析结果。要确保 所有管子不能处于截止状态。打开Cosmos Scope工具，点击open-plotfiles，在所建的目录下找到.ac0文件，然后打 开。在弹出的如图16所示窗口，找到v(vo+)，双击，即显示交流仿真的结果。在波形显示 窗口双击横坐标，弹出如图17所示窗口，将scale选为Log。图16图17点击 Cosmos scope 最下面的按钮，在弹出的窗口中，点击At X，然后选择General