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CMOS模拟集成电路CAD讲义.pdf

CMOS模拟集成电路CAD讲义.pdf

上传者: madingjy 2014-03-21 评分 5 0 182 25 826 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《CMOS模拟集成电路CAD讲义pdf》,可适用于工程科技领域,主题内容包含CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页例:估算参数的求取.Kn、Kp的求取图表思考题:从表中可以看出沟道调制效应系数λ是否为常数?为什么?上试中:L符等。

CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页例:估算参数的求取.Kn、Kp的求取图表思考题:从表中可以看出沟道调制效应系数λ是否为常数?为什么?上试中:L=uNMOS(μΑ•V)PMOS(μΑ•V)oxn(p)DonDSonn(p)n(p)μCWWI=V(λV)=KVLLVdsKn(p)oxn(p)DSn(p)μCK=(λV)Administrator矩形CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页.λn、λp的求取图图CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页图表*比较上面求得的λn、λp与上学期所学教材中λL的差异。MOSFET的简化版图如图所示其中L表示MOS管源漏区接触孔与多晶硅之间的最小距离L表示接触孔的最小尺寸L表示接触孔与源漏区边缘间的最小距离。寄生电容可按表估算:图L=uL=uL=uRoutn(KΩ)λn(V)Routp(KΩ)λp(V)Vdsλn(p)CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页表MOS管寄生电容的计算公式MOSFET的寄生电容CGSCGDCDB(CSB)饱和区CGSOWeffCOXWeffLeffCGDOWeffWECj(WE)Cjsw表中E=LLL,L、L、L这些规则尺寸可以很容易在技术资料上找到(对于“懒惰”的工程师们而言一个也许更高效的办法是从晶元厂提供的版图库中直接通过测量获得)。一种保守的方法是取E=um来进行估算。CGSO、CGDO分别为单位宽度的栅-源和栅-漏交叠电容单位为FmCjsw为单位长度的源(漏)侧壁结电容单位为FmCj为单位面积的源(漏)结电容单位为Fm。这些数据可从模型参数中直接获取。我们采用的模型中的寄生电容参数如下:NMOS的寄生电容VTH=CGSO=CGDO=Cj=Cjsw=PMOS的寄生电容VTH=CGSO=CGDO=Cj==ECjsw=CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页例:单级CS放大器的设计已知:VDD=VI=μA信号源内阻RS=K要求:AvdB输出摆幅V一、参数估算.据输出摆幅要求分配NMOS管和PMOS管的Von。电路如图所示。VonNVonP取VonN=VonP=.估算静态偏值电压:Vin==Vbp==.验证增益是否满足要求:可以估算出输出节点Vout的静态工作点为()=L=u时查表可知此时λnλp于是可以估算出:gmn=〔Kn(WL)MNID〕=〔〕mA•V或者gmn=ID(VGSVTN)=IDVon==mA•VRout=〔(λnλp)ID〕〔()〕=KAv=gmn〔(λnλp)ID〕〔()〕=(即dB)〔满足要求〕.估算各管的宽长比查表可知KnuaKpua(WL)MN=ID(KnVon)=()=(WL)MP=ID(KpVon)=()=二、仿真验证.静态工作点仿真结果如图所示图.输出电压摆幅及跨导gMN仿真结果如图所示输出电压摆幅V~V计算值gmn=〔Kn(WL)MNID〕=〔〕mA•V图CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页仿真值gmn=mA•V(见图)图.小信号输出电阻随输出电压的仿真结果如图所示。图静态工作点输出电阻的仿真值:OUTPUTRESISTANCEATV(OUT)=E即K静态工作点输出电阻的估算值:K(见前页)*思考题:为什么小信号输出电阻随输出电压变化而变化?CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页.增益Av与fdB仿真结果如图所示。图计算值Av=gmn〔(λnλp)ID〕〔()〕=(即dB)仿真值Av=(即dB)fdB=MHz增益带宽积*思考题:在前述方案中Av=远大于预定值Av=如何调整估算参数的方法和步骤使Av接近于目标值从而以获得更大的带宽?*如何提高增益带宽积?重新估算图中各管的参数并仿真验证摆幅要求V其它条件不变。一、参数估算.输出摆幅要求分配NMOS管和PMOS管的Von。VonNVonNVonP取VonN=VonN=VonP=.估算静态偏值电压:Vin==Vbp==Vbn=VonNVonNVTN==取Vbn=(除了要给出~的电压余量即取=外这里因为没有考虑MN的衬偏效应导致的VTN变大故Vbn应比上述估算值稍大当然也可根据衬偏效应先求出VTN再计算Vbn)思考题:如何用仿真的方法求出由于衬偏效应而变大了的VTN?.验证增益是否满足要求:由前面的数据可以估算出输出节点Vout的静态工作点为()=L=u时查表可知此时λnλnλp于是可以估算出:gmn=ID(VGSVTN)=IDVon==mA•Vgmn=ID(VGSVTN)=IDVon==mA•VrNλnID()=KrNλnID()=K图CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页rPλpID()=KAvgmnrP==(即dB)〔满足要求〕.估算各MOS管的宽长比:查表可知此时KnKnKp(WL)MN=ID(KnVonN)=()=(WL)MN=ID(KnVonN)=()=(WL)MP=ID(KpVonP)=()=二、仿真验证.静态工作点仿真结果如图所示。图.输出电压摆幅及跨导gMN仿真结果如图所示。从图中可以看出:输出电压摆幅V~V计算值gmnmA•V仿真值gmnMAX=mA•VCMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页图.输出电阻随输出电压的关系如图所示。图静态工作点输出电阻的仿真值:Rout=K(估算值=k)MN漏集D和MN源集S节点的输出电阻仿真值为:K(估算值如何计算?)CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页.增益Av与fdB仿真结果如图所示。图估算值Av=(即dB)仿真值Av=(即dB)fdB=MHz增益带宽积(前面方案增益带宽积为:)MN漏集D和MN源集S节点的增益仿真值为Av=*思考题:由前面的仿真结果可以看出在图的电路中那一个节点是第一主极点?为什么?*思考题:解释增益带宽积增大的原因。CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页例:单级CS-CG放大器的设计已知:VDD=VI=μA信号源内阻RS=K要求:AvdB(即倍)输出摆幅V一、参数估算.根据输出摆幅和增益确定各MOS管的过驱动电压Von:VonNVonNVonPVonP取VonNVonNVonPVonP.估算静态偏值电压为:VinVonNVTN==VbVonNVonNVTN==取Vb(原因同前)VbVCC-VonP-|VTP|=--=VbVCC-VonP-VonP-|VTP|==取Vb.验证增益是否满足要求:静态工作点约为:〔()(-)〕=L=u时查表可知此时λnλnλpλp于是可以估算出:图()KK=====DoutnonNNDNDonNNNDDoutponPPDPDonPPPDmNoutnoutponNNNonPPPonNIr=VλIλIVλλIIr=VλIλIVλλIAv=grr(VλλVλλ)V(=)由上面计算可以看出增益Av远不能满足要求参数需作相应调整该如何调整教理想呢?由于routn>>routp故增加NMOS管的沟道长度或减小VonN(即增加gmN)已不会有明显的作用。从表可知增加PMOS的沟道长度同样不是很理想从上试及表中可以看出减小VonP(即增加gmP)一方面可以提高routp同时因VonP减小可以使VDSP增加而VDSP的增加可以减小λp这也有利于提高routp故减小VonP预计可获得较好效果。取VonP(此时Vb相应变为)即VDSP=此时查表得λp重新验证如下:()KK=====DoutnonNNDNDonNNNDDoutponPPDPDonPPPDmNoutnoutponNNNonPPPonNIr=VλIλIVλλIIr=VλIλIVλλIAv=grr(VλλVλλ)V(=)CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页显然增益还不能满足要求要求还应该从那里入手呢我们知道要提高增益而较小影响带宽的方法是增加输入管的跨导(即减小输入管的Von)。取VonN=(此时Vin相应变为)同时再令VonP=重新验证如下:()KK=====DoutnonNNDNDonNNNDDoutponPPDPDonPPPDmNoutnoutponNNNonPPPonNIr=VλIλIVλλIIr=VλIλIVλλIAv=grr(VλλVλλ)V(=)此时增益满足了要求。.估算各MOS管的宽长比:查表可知此时KnKnKpKp于是可以估算出:(WL)MN=ID(KnVonN)=()=(WL)MN=ID(KnVonN)=()=(WL)MP=ID(KpVonP)=()=(WL)MP=ID(KpVonP)=()=二、仿真验证.静态工作点仿真结果如图所示。CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页(A)(B)(C)(D)图备注:(A)图为估算参数的第一次仿真结果。(B)图是先调整MP的宽长比使静态工作点处于合适的值(此时不管电流的大小)。(C)图是按比例缩放MN、MP宽长比:(WL)MP=(WL)MN=。(D)图是微调MP的宽长比使输出达到要求的静态工作点。*思考题:减小了MN、MP宽长比后是否会影响前面估算的增益值的变化?为什么?.小信号输出电阻随输出电压变化而变化的仿真曲线如图所示。估算值为:outnroutprK===outonNNNonPPPDr(VλλVλλ)I()仿真值为:OUTPUTRESISTANCEATV(OUT)=EMN漏集d与MN源集s节点的输出电阻仿真值为:OUTPUTRESISTANCEATV(A)=E图.输出电压摆幅及跨导仿真结果如图所示。CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页图gm的估算值为:gm=IDVonN==mA•Vgm的仿真值为:gmmA•V.增益及fdB的仿真结果如图所示。Av的估算值为:Av=Av的仿真值为:Av=增益带宽积为=图例:基本差分对(图)设计CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页已知:VDD=VISS=μA信号源内阻RS=K要求:ADMdBVinCM最大共模输入电压情况下输出摆幅VCMRRdB图*思考题:图中是加载的差分输入信号如果加载单端输入信号而仿真结果要和图仿真出的频率特性一样该如何加载呢?一、参数估算.首先根据VinCM和摆幅的要求分配各管的过驱动电压Von及估算偏置电压VB和Vout的静态值(也即是VA的大小)。VinCMmin=VGSNVB-VTNVonNVB取VonN=VB取VB=即VonN=-==oooj,ji,j,jjjjjjnnj=。VinCMmax=VAVTN=VCC-VGSPVTN=VCC-VonPVTN-|VTP|即VonP--=(或:VA-VTN==)因为在最大共模输入电压情况下输出摆幅VVoutmin=VinCMmax-VTN===故Voutmax=由此可得VonPVCC-Voutmax=-=这一值要和前面根据共模输入范围要求而求得的VonP--=求交集取VonP=于是估算出输出的静态电压Vout=VA=-(VonP|VTP|)=-()。.仿真前还需确定输入的静态共模电平值。一般选取VinCM=(VinCMminVinCMmax)=于是可以估算出C点的静态值VC=-VonN-VTN--=。(VTN的实际值因衬偏效应要比大因此VC的实际值要比小).验证增益ADM和CMRR是否满足要求:若取L=u从上面的估算值可以查表得λN()λNλP()ADM=〔(λnλp)VonN〕〔()〕=(即dB)〔满足要求〕mNNonPCMmNoNmPoNmPgλVA===grgrgCMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页CMRR=lg()=dB显然共模抑制比CMRR还差一点如何提高CMRR?取LN=u查表得λN则ACM=CMRR=lg()=dB已经很接近要求了由于是估算本身存在一些误差可以先仿真看看。.估算各MOS管的宽长比:查表可知此时Kn()KnKp()(WL)MN()=ID(Kn()VonN)=()=(WL)MN=ID(KnVonN)=()=(WL)MP=ID(KpVonP)=()=二、仿真验证.静态工作点仿真结果如图所示。图图.最大共模输入情况下(VinCMmax=)输出摆幅的仿真结果如图所示。显然在极限输入共模电压输入情况下满足输出摆幅V的要求。.增益和fdB仿真结果如图所示。静态小信号差模输出电阻仿真值为:OUTPUTRESISTANCEATV(OUTDM)=E仿真值ADM=(即dB)(注意比较前面基本CS放大器的增益值你有何体会?)估算值ADM=(即dB)CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页图.ADM随CMR的变化曲线仿真结果如图所示。*思考题:仿真显示ADMMAX=dB输入共模电压在~的范围内ADM下降了dB是最大共模输入电压吗?为什么?这个电压是最小输入共模电压吗?为什么?如果不是又该如何仿真呢?*思考题:ADMMAX为什么会出现在VinCM=处?给出一个合理解释并仿真验证你的结论。.VinCMMIN的仿真结果如图所示。仿真结果VinCMMIN(估算值为)图图CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页.CMRR仿真验证。仿真电路和CMRR随频率和输入共模电压变化而变化的曲线仿真结果分别如图、图和所示。图图CMRR随频率f的变化曲线图CMRR随共模输入电压的变化曲线CMRR仿真值为dB(估算值为dB)没有达到要求的CMRRdB的要求如何提高CMRR呢?根据公式CMRR=lg(ADMACM)就本电路而言在ISS不变的情况下一般有下面两种方法:增加差模增益ADM。但在目前情况下由于ADM已满足要求仅为提高CMRR而提高ADM没有很大的实际意义。事实上通过增加ADM来提高CMRR效果不会很明显且增加ADM必然导致带宽的损失故我们不选用这种方法。减小共模增益ACM。因为ACM(rOSSgMP),提高rOSS和gMP都能提高CMRR那么我们又该如何选择呢?提高gMP同样会损失带宽(为什么?)且效果也不是很明显(因为提高gMP几乎ADM不变)比较好的办法是提高尾电流的小信号输出电阻rOSS。那么如何提高rOSS呢?增加尾电流MOS管的L可以提高rOSS但从图可以看出由于图中MN管的宽长积为CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页=CMRR的转折频率较低(图的仿真结果为M)如果再通过增加L的方法来增加rOSSCMRR的转折频率必然会更低。下面我们用图所示低压共源共栅电流镜来提高rOSS以获取较高的CMRR的转折频率。三、图电路参数估算。.根据前面步骤一的方法预取VonN=VonN=.于是可以估算出:VHVonNVTN==VGVGSVJ=VonNVTNVJ=R(VG-VH)I=()=K(WL)N(N)=ID(KnVonN)=()==(WL)N(N)=(WL)N(N)==.尾电流的小信号输出电阻约为:SSOSSmNonNNSSNSSIrgrr==KVλIλI(原来的rOSS()=K).此时的CMRR为:DIONPCMoNmPoNVA==rgrCMRR==lg(ADMACM)=lg()=dB四、重新仿真验证。.静态仿真结果如图所示。图CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页(A)(B)图备注:(A)是估算参数的仿真结果MN在线性区这是因为估算时没有考虑余量的原因。(B)重新调整参数以后的结果(R变为K)。.最大共模输入情况下(VinCMmax=)输出摆幅的仿真结果如图所示。显然在极限输入共模电压输入情况下满足输出摆幅V的要求。.增益和fdB仿真结果如图所示。图CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页CMRR随频率的仿真曲线如图所示。仿真值为dB(估算值dB)*思考题:如何仿真尾电流源的输出电阻?仿真一下将结果同估算值比较。从仿真结果看出CMRR比期望值高出较多可适当改变尾电流的宽长比以获得较大的CMRR转折频率。将MN、MN的宽长比分别变为和的CMRR仿真结果如图所示。ADMMAX随共模输入电压变化的曲线如图所示。图图*比较图、可见CMRR的转折频率从前面的M增加到了M。*思考题:虽然在低频时图的CMRR比图高但在较高频率时图中的CMRR比同频率的图中的CMRR要高这是为什么?给你有什么启示?图ADMMAX随共模输入电压变化的曲线图VinCMMIN的仿真结果.VinCMMIN的仿真结果如图所示。估算值为=V仿真值为V。*思考题:从图可知VinCMV。但在图中为什么ADM在输入共模电压低至约为V还有近dB?CMRR随共模输入电压变化的曲线如图图图CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页所示。*思考题:在图中显示VinCMMIN=为什么在图中当VinCM=时CMRR有明显下降?如何仿真验证你的结论?如果要提高VinCM=时CMRR有那些可行的办法?对别的参数有何影响?仿真验证一下你的结论。五、比较图中(A)、(B)、(C)三个电路的增益和fdB其AC分析仿真结果如图所示。图*思考题:图(B)中R、R的作用是什么?为何要选较大值?(在实际中由于大电阻制造起来要占大量的芯片面积故一般用的较少。)(A)图仿真结果(B)图仿真结果(C)图仿真结果图*思考题:为什么(B)图的fdB最大?试解释原因。*思考题:(B)图的CMRR如何估算?仿真验证你的结论。CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页例:套筒式(Cascade)放大器的设计(如图所示)已知:VDD=VCL=pF信号源内阻RS=K要求:Av>dB(即倍)共模输入电压范围>V最大共模输入电压时输出摆幅>V,CMRR>dBSR>VμS思考题:试述I、MN、R组成电路的功能。在参数估算之前我们先回顾例中CSCG放大器的设计参数及仿真结果重画例电路如图所示其相关设计参数和仿真结果如表所示。表MNMNMPMPVonVDSλn(p)WLIouAADM(估算值为)因为SRISSCL>VμS故ISS>SRCL=VμSPF=μA。取ISS=uA由增益公式:()mNoutnoutponNNNonPPPonNAv=grr(VλλVλλ)V我们可以看出要在例的基础上保持增益基本不变可以保持VonN、VonN、VonP也基本不变即可。下面参照表中的数据来估算参数。一、参数估算.首先根据VinCM和摆幅的要求分配各管的过驱动电压Von及估算偏置电压VA(也即是Vout的静态值)、VB、VC、VCD和VE。VinCMmin=VGSNVE-VTN=VonNVE-取VonN()=(参考表)VE-取VE=-即VonN=--=。根据表取VonN()=VCDVGSNVonN=VonNVonNVTN==取VCD=(思考题:VCD取值大小与那些因素有关?)VCmax=VDmax=VinCMmax-VGSN=--=故最大共模输入电压时Voutmin=VCmax-VTN==因为在最大共模输入电压情况下输出摆幅V故Voutmax=由此可得CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页VonPVonPVCC-Voutmax=-=取VonP()=(参考表)VonP()。另一方面VA=VCC―VonP()―|VTP|VCmax-VTN=-=即:VonP()--=。这一值要和前面根据共模输入范围要求而求得的VonP()求交集取VonP()=于是估算出输出的静态电压Vout=VA=-(VonP|VTP|)=-()。VBVoutmax-|VTP|=-=取VB=(VonP==)故:VdMP=VBVGSP()==。即VDSMP=-=。VDSMP=-=。仿真前还需确定输入的静态共模电平值。一般选取VinCM=(VinCMminVinCMmax)=于是可以估算出D点的静态值VD=-VonN-VTN--=-。VC=VCDVD=-=。同理可以估算出下列各点的静态值:VdMN=VC-VGSN=VCDVD-VonN-VTN=---=-。即VDSMN=VDSMN()=VA-VdMN=-(-)=.验证增益ADM和CMRR是否满足要求:若取L=u从上面的估算值可以查表得λN()λN()λN(L=u)λP()λP()MM====DoutnDDDonN()N()N()onN()N()N()DoutpDDDonP()P()P()onP()P()P()Ir=VλIλIVλλIIr=VλIλIVλλI()==DMoutnoutpmN()onN()N()N()onP()P()P()onN()A=grr(VλλVλλ)V()显然ADM满足要求。下面验证CMRR是否满足要求。NmN()onP()CMoNoNmN()mP()mP()gλVA===grgrgCMRR=lg()=dB.估算各管的参数:查表可知此时Kn()KnKnKnKp()Kp()Kp(WL)MN()=ID(Kn()VonN)=()=(WL)MN()=ID(KnVonN)=()=(WL)MP()=ID(Kp()VonP)=()=(WL)MP()=ID(Kp()VonP)=()=(WL)MP=ID(KpVonP)=()=(WL)MN=ID(KnVonN)=()=CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页取R=K则VonN=VCD--VTN=--=(WL)MN=ID(KnVonN)=()=二、仿真验证.静态工作点的预估参数仿真结果如图(A)所示。(B)图是将尾电流管MN的宽长比由变为以使工作电流达到要求。(A)(B)图表图(B)中各点的静态电压与预估值的比较VAVBVCDVCVDVE仿真值估算值从表我们可以发现静态工作电压的仿真值和预估值非常接近(实际上这一点从前面几个例子也可以看出来)也就是说我们采用的根据不同VDS按不同Kn(p)来估算宽长比的确提高了精度。CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页.频率特性的仿真结果如图所示。图(CL=P)从图中我们可以看出ADM=dB(倍)比预期的低一点同时可以看出单位增益带宽GB=M相位余度PM==。为了提高增益将MP()、MN()的宽长比分别变为、其新的静态工作点仿真结果如图所示。频率仿真结果如图所示。从图中我们可以看出ADM=dB(倍)刚好达到预期要求同时可以看出单位增益带宽GB=M相位余度PM==。这里增益我们就算达到了设计要求(实际中还应考虑dB左右的余量)下面验证别的性能指标是否到达要求。图CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页图(CL=P).CMRR的仿真结果如图所示其转折频率的防止结构如图所示。图图从图可以看出CMR为~CMRR>dB。转折频率为K。.最大共模输入电压下(VinCM=V)的输出摆幅仿真结果如图所示。显然满足大于V的要求。思考题:本电路可以接成跟随器形式吗?如何验证呢?图CMOS模拟集成电路CAD讲义第页共页.跟随器连接时的仿真结果如图所示。图思考题:从图可以看出那些性能指标?CMR与图所示有何差别?输入峰值电压为V频率为KHz时跟随器的仿真波形及误差如图所示。图思考题:从中计算最大绝对误差和最大相对误差。为什么在输入电压为最小(V)时误差最大?思考题:如果没有自举偏置结构电路该结构还能接成跟随器结构吗?VC电压的大小如何影响输出?图是VC分别取固定偏置电压V和V情况下的跟随器结构的DCSWEEP扫描结果自己分析一下结果。图CMOS模拟集成电路CAD讲义

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