6 折叠式共源共栅运算放大器设计实验

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1、西安交通大学国家集成电路人才培养基地国家集成电路人才培养基地模拟电路高级实验（6）折叠式运算放大器2006-07第I页，共20页西安交通大学国家集成电路人才培养基地第I页，共20页西安交通大学集成电路人才培养基地1.设计目的：设计共源共栅运算放大器，使其满足VDD=3.3V，功率P=10mW，输出摆幅为1.95V，增益AV≥80dB。使用SMIC0.18um3.3VCMOS工艺3.3V晶体管模型。学习差动放大器DC扫描、AC、瞬态分析的方法。参数给定：COX=(εsiεo)/tox其中εsi=8.85*10-12，εo=3.9，tox=6.62nm；un=350cm2，up=92.5

2、cm2。2.设计步骤：1．启动cadence工具在Terminal中输入cds.setupicfb&2．电路设计按照下图进行电路设计，运放采用折叠式共源共栅电路。第15页，共20页西安交通大学集成电路人才培养基地图一设计图形注意：i).所有的pmos管的衬底都必须接电源；所有nmos管的衬底都必须接地ii).直接用电压源给出偏置电压。1．参数计算完成了电路图的基本结构之后，接下来就是给每个元件加入设计量，这样就需要对各个器件的参数进行分配和计算。从图中的mos管的标号定义：总的尾电流源pmos管为M0，M1；pmos共栅管为M2，M3；nmos共源共栅管从上到下依次为M4，M5，M6

3、，M7；输入管为M8，M10；输入端的尾电流源mos管为M9。pmos管的modelname取p33，nmos管为n33。1)电流的分配由于VDD=3.3V，功率P=10mW，则总的电流为IDS＝10mW/3.3V＝3mA。其次两条支路是完全对称的，所以给每条之路分配1.5mA的电流。而对于折叠电路部分和本身的共源共栅电路部分将每条支路的电流再次分割，这里我们全部采用平分的方式，即M0，M1的电流均为1.5mA；其余mos管（除M9外）的电流均为0.75mA，是每条支路的二分之一；而对于M9的电流值为两个输入支路电流之和，即为1.5mA。2)过驱动电压的分配根据题目的要求，输出摆幅要

4、为1.95V，以此为标准分配过驱动电压。M0，M1第15页，共20页西安交通大学集成电路人才培养基地获得的电流较大，给他们分配相对较大的过驱动电压，即VOD0＝VOD1＝0.4V；而M9管同时流过M8，M10管的电流，也同样具有较大的过驱动电压，给它分配过驱动电压为VOD9=0.4V；而对于其他mos管的过驱动电压的分配考虑pmos管的up一般小于nmos管的un，所以分配给pmos管的过驱动电压一般要大于分配给nmos管的过驱动电压，此处给pmos管分配0.35V过驱动电压，而给nmos管分配0.3V过驱动电压，恰好使输出摆幅为1.95V。1)宽长比的确定通过电流与过驱动电压的关系

5、式确定宽长比，由于所有mos管都必须工作在饱和区，所以使用饱和区的电流－过驱动电压的关系：Nmos管：IDS＝1/2unCOX（W/L）（VGS－Vth）2＝1/2unCOXVOD2＝>（W/L）=(unCOXVOD2)/(2IDS)Pmos管：IDS＝1/2upCOX（W/L）（VGS－Vth）2＝1/2upCOXVOD2＝>（W/L）=(upCOXVOD2)/(2IDS)根据公式可得所有mos管的宽长比，分别为：（W/L）0－1＝388.62；（W/L）2－3＝253.75；（W/L）4－7＝91.3；（W/L）8＝（W/L）10＝91.3；（W/L）9＝102.7。根据上面求出

6、的宽长比确定宽度和长度。由于使用工艺库，取L＝1.4um（取L的值较大是为了达到大的增益的要求），同样可以得到各种W值W0，1＝136*4um，W2，3＝88.82*4um，W4，5，6，7＝63.92*2um，W8，10＝63.92*2um，W9＝71.88*2um。注意：乘号的意思代表宽度的乘数*倍数，即在multiplier处添加倍数值。2)分配初始偏置电压值mos管阈值电压的初始值由工艺库中给定，pmos管的阈值电压为Vth＝－0.663V，nmos管的阈值电压为Vth＝0.713V，这些值将在仿真过程中修正。i).pmos管M0，M1的过驱动电压为VOD0＝VOD1＝0.4

7、V，而

8、Vth

9、＝0.663V，则偏置电压源电压为V0＝3.3V－（0.663V＋0.4V）＝2.237V。ii).pmos管M2，M3的过驱动电压为VOD2＝VOD3＝0.35V，而

10、Vth

11、＝0.663V，则偏置电压源电压为V0＝3.3V－（0.663V＋0.4V＋0.35V）＝1.887V。iii).nmos管M4，M5的过驱动电压为VOD4＝VOD5＝0.3V，而Vth＝0.713V，则偏置电压源电压为V0＝0.713V＋0.3V＋0.3V＝1.3