COMS放大器设计.doc
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1、目 录一、设计思路1二、CMOS放大器设计22.1、任务与要求22.2、设计要求22.3、对CMOS放大器的研究与计算2三、电路设计及仿真63.1、直流工作点的分析73.2、交流信号分析83.3、瞬态分析103.4、小信号特性分析123.5、压摆率大信号分析13四、课程设计心得14五、参 考 文 献15一、设计思路日常生活中放大器的用途随处可见,但关于用MOS管的放大器还很少,综合所学习过的知识去设计一个CMOS放大器,本设计采用GPDK180工艺,实现增益大于40dB(即放大100倍以上),相位裕度大于60,功耗小于1mW,同时用1.8V的电压源供电。设计MOS管所采用的是PMOS和NMOS
2、的组合管构成放大器,因为同样的体积、同样的掺杂浓度下,PMOS管的电阻会比NMOS管的电阻要大,所以在这两种MOS管组成的电路中,采用NMOS作为放大管,而PMOS作为偏置负载,两种组合管串联起来,从组合管的中间引出放大的信号,由于放大倍数还不够大,本设计采用NMOS管作为放大管,这只是理想中器件的选择,接下来就是参数的计算以及对电路设计的模拟和仿真。由于采用GPDK180工艺、电源电压1.8V的基础上设计,所以就要在资料库中查找并选好MOS管的参数,对于MOS管最重要的是W/L的比值,根据放大倍数以及对功耗的要求可求出W/L比,根据电源电压可求出驱动电路的电压值。得到的宽长比可与资料里面的标
3、准对比,取一定的长度就可以得出器件的宽度,根据所选定的器件去查找相应的MOS管栅极的氧化层参数,应注意的是在GPDK180工艺中,宽度最大不超过50nm,长度最大要180nm以上。为了得到合适的放大倍数以及较低的功耗,PMOS管和NMOS管连接起来,PMOS管的上端接电源Vdd下端接NMOS管,下端的NMOS管接地,在两个MOS管的中间取出放大信号,给上端的PMOS管的栅极加一个适合的偏置,在NMOS管的栅极输入,根据以上思路制作本次设计二、CMOS放大器设计2.1、任务与要求:设计CMOS放大器,要求如下:1采用GPDK180工艺。2增益大于40dB, 相位裕度大于60。3功耗小于10mW。
4、4电源电压为1.8V。2.2、设计要求:1)、根据设计指标要求,选取、确定适合的电路结构,并进行计算分析;2)、电路的仿真与分析,重点进行直流工作点、交流AC分析、瞬态Trans分析、建立时间小信号特性和压摆率大信号分析,能熟练掌握各种分析的参数设置方法;3)、电路性能的优化与器件参数调试,要求达到预定的技术指标。4)、整理仿真数据与曲线图表,撰写设计报告。5)、按照课程设计要求,采用GPDK180工艺设计,COMS放大器的模型如下:图1 CMOS放大电路模型2.3、对CMOS放大器的研究与计算设计要求:采用GPDK180工艺;放大增益大于40dB,即100倍以上;相位裕度大于 ,功耗小于10
5、mW;电源电压为1.8V。 1)、由公式 ,可得可取2)、采用GPDK工艺,用一个PMOS管与一个NMOS管接连做放大器设定NMOS、PMOS的制作长度 ,可知 于是有 放大电路的交流小信号模型如下: 图2 放大器的小信号模型 :令Vin=0,即 3)、4)、5)、根据 ,在软件库中查到相应的NMOS和PMOS的计算参数:NMOS:L=0.360.5um, w=1.23um 氧化层厚度:PMOS:L=0.360.5um, w=1.23um 氧化层厚度:6)、7)、8)、电路放大时,必须保证NMOS和PMOS同时工作在饱和区,9)、设输出电压的最大摆幅为2V,NMOS工作在饱和区,则应满足的条件
6、:NMOS管处在饱和区的同时PMOS也工作在饱和区,则10)、11)、三、电路设计及仿真电路的各个参数计算出来,本设计采用VMware Workstation虚拟机进行仿真,VMware Workstation是一个运行在Linux系统下版级和系统级的EDA软件,打开虚拟机后,进入虚拟机的启动电源界面,然后启动虚拟机的电源,点击进入启动本次设计的软件,双击在界面的上方的“新建终端”动作图标,在终端输入cd work/gpdk180回车后,输入icbf指令就到了icfb文件下,在界面对话框中选择file/new/library,弹出对话框new liabrary,在名字框中填入文件夹名zhang
7、,选择attach to an existing techfile,在弹出的对话框中选择gpdk180后,点OK回到icfb。再选择file/new/cellview,在library name选择的基础上新建一个fangda的library名,点击OK即可。根据以上的操作和计算,在gpdk180下设计出电路图,并进行参数的设置,选择PMOS管的w=50u,l=200n;选择NMOS的w=37u,l=400n.设置后设计的初步图设为:图 3 CMOS放大设计图3.1、直流工作点的分析画好电路图后要看设计的是否正确,经过多次修改后得出最好的参数设置,并在此基础上进行了相应的仿真,接下来是对所设计
8、的电路做直流(DC)分析。因此输入信号采用直流电压源信号输入,其电压为参数的电压2.75V。具体电路如下:图4 直流分析电路绘制好电路图之后修改各器件的参数知道接恰当为止,修改好参数后点击check and save,保存好后选择tools/ analog environment,进入Virtuoso Analog Design Environment模拟环境,在弹出的对话框中选择choose, 再在弹出的对话框中选择DC分析,并在Save DC operating Point选项上选中,点击OK回到analog environment;选择运行Simulation/Netlist and R
9、un,然后选择Result/Print/DC Operating Points进行结果的查看,在弹出界面之前点击最右边电源V0,就得到本次设计电路运行结果的参数。进过多次调整两个MOS管的W/L后得到符合本设计要求所规定的参数值,电流为3.43494mA还不算小,功率为6.1829mW10mW,所得的结果如下,由结果可看出,设计电路模拟出来的电流和功率基本符合本次设计要求,图中数据的符号代表方向。图5 直流分析结果3.2、交流信号分析在进行交流分析之前要先将NMOS输入的信号源换成交流源,其DC分析电压为原来的直流分析是的电压,频率设为1KHz,具体电路如下:图6 交流分析电路图换好交流信号电
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- COMS 放大器 设计
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