哈尔滨工业大学模拟集成电路课程设计.pdf
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哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)一、功能描述设计二级运算放大器,采用电阻和电容进行补偿。
其中负载电容CL=10pF。
运算放大器满足如下要求:
Avo3000,增益带宽积GBW5MHz,SR10V/s,相位裕度PM达到60,输入共模范围(ICMR)为1.54.5V,输出摆幅范围为0.54.5V,Pdiss2mW。
假定已知NMOS参数为。
PMOS管参数为。
二、电路设计1.电路设计过程
(1)电路图图1总体电路图
(2)电路设计过程哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)2.仿真验证进入目录training/ic/spice_labs,启动cadence环境平台,新建two_stage_amp的cellview,按照之前的电路绘制要求放置mos管(mos元件选择chrt35dg_SiGe中的nmos5p0、pmos5p0),设置宽长比。
放置其他元件并连线,检查无误并保存。
电路绘制完成后建立电路symbol,确认无误后保存。
电路如图1所示,symbol如图2所示。
图2电路图symbol
(1)采用闭环仿开环的方式对运放进行直流、交流、瞬态以及噪声分析。
建立一个仿真电路图,命名为cut_two_stage_amp,电路图结构如下图所示。
图3闭环仿开环电路图哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)为了便于对变量的值进行控制和修改,图中的变量都没有进行赋值,而是在AnalogDesignEnvironment中进行统一赋值,便于进行电路调试。
电路绘制完成后,打开AnalogDesignEnvironment,设置变量值和仿真参数,仿真需要设置四项、分别为直流、交流、瞬态和noise。
设置完成后的ADE如图4所示(只显示进行设置的部分)。
图4闭环仿开环ADE直流仿真对电路运行直流仿真,使用calculator的OP功能查看电路中各个器件工作点,使用VDC查看输出电压值,直流仿真输出结果如图5所示。
图5直流仿真结果可以看出,运放中的mos管均满足饱和区条件,处于饱和区,静态功耗1.39mW,满足设计要求,当输入为2.5V时,输出也约为2.5V。
交流仿真运行交流仿真,查看幅频和相频特性。
根据仿真结果调整,将Cx的值改为1.5pF之后再次进行交流仿真,仿真结果如图6所示。
哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)图6交流仿真结果从图6的坐标值可以看出,GBW=6.48MHz,相位裕度约为69,与设计目标稍有偏差。
低频增益为79.56dB,约为9397V/V,满足设计要求。
瞬态仿真运行瞬态仿真,瞬态仿真输入输出波形结果如图7所示。
图7瞬态仿真结果通过图上的坐标可得波形幅值,该运放对输入交流小信号实现了放大,且输入与输出保持一致。
输入信号峰峰值为20uV,输出信号峰峰值为111.813mV,放大倍数约为5590倍。
噪声分析进行噪声仿真分析,分别将噪声信号折算到输入和输出,折算到输入的噪声如图8所示,折算到输出的噪声如图9所示,从以上两图中可明显看出,在低频时,噪声电压更高,这是受1/f噪声的影响,而高频时噪声很小。
哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)图8输入噪声图9输出噪声
(2)输入共模电压范围(ICMR)分析ICMR分析的仿真电路采用运放构成单位增益电路,如图10所示。
图10ICMR测试电路哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)设置vcom进行电压0-5V扫描,测量能够跟随输入电压变化的输出电压范围即为共模输入范围。
输出结果波形如图11所示。
在图中局部放大,找到输入共模电压的上限和下限并用坐标标注,可以得到输入范围约为307.5mV4.88V,满足设计要求。
图11ICMR仿真结果(3)输出电压摆幅分析仿真电路图如图12所示,该电路为反向放大结构,接成闭环增益为10的形式,这样可以更直观地看出输出摆幅。
图12输出摆幅测试电路进行直流DC仿真,Vin从0-5V扫描,观察输出波形的范围如图13所示。
哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)图13输出摆幅可以看出,输出摆幅应该为输出波形线性下降的范围,通过局部放大和坐标标定,可得输出摆幅约399mV-4.88V。
满足设计要求。
(4)共模抑制比CMRR分析仿真电路图如图14所示。
电路图采用单位增益结构,差模增益为1,所以输出端即为共模抑制比CMRR。
在两个输入端加入相同交流信号,测量如图15所示的输出量。
仿真结果如图16所示。
图14CMRR仿真电路图图15输出量表达式哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)图16CMRR仿真结果可以看出,低频CMRR=83.20dB,随着频率增大,CMRR减小。
图中在约1GHz处有一个波峰,可能是由系统的零极点特性引起的,可以通过调节Vin的值调整CMRR的特性。
(5)电源抑制比PSRR仿真仿真电路图如图17所示。
测试电路采用单位增益结构,所不同的是在源电压VDD上加入一个1V的交流信号。
此时测量电路的输出端即为电源抑制比PSRR。
测量量表达式如图18,仿真结果如图19。
图17PSRR仿真电路图18输出量表达式哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)图19PSRR仿真结果从上图可以看出,低频时PSRR较大,随着频率增大,PSRR先减小后增大,最终趋于稳定。
低频时PSRR=84.89dB,高频时PSRR=47.53dB。
(6)上升时间和下降时间仿真电路图如图20所示,在单位增益结构的基础上在输入端加入一方波信号。
选取偏置1V,方波信号幅值2.5V(大信号)进行仿真。
仿真波形图如图21所示,上升和下降时间的局部放大图如图22、23所示图20上升时间和下降时间仿真电路图21上升下降时间仿真输出波形哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)图22上升时间图23下降时间从图23、24中AB的坐标可以得到,上升建立时间为197ns,下降建立时间为522ns,相较而言下降特性稍差,波形恢复稍慢,但是斜率仍保持在M(106)量级。
(7)压摆率(slewrate)仿真仿真电路图如图24所示。
在输入端加入峰峰值为5V的方波信号,观察输出波形如图25所示。
哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)图24压摆率仿真电路图25压摆率输出波形将图25中的波形局部放大,用坐标分别进行测量,结果如图26、27所示。
图26上升压摆率哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)图27下降压摆率可以看出,上升过程SR=20.14V/us,下降过程SR=9.53V/us,下降过程的SR稍差,误差在允许范围内,该设计满足设计指标。
3.电路设计及仿真结果总结经过电路设计和各项指标的仿真,该电阻电容作密勒补偿的二级运算放大器的各项参数基本满足设计要求。
所设计的电路各项指标都在误差允许范围内,满足设计要求。
三、版图设计建立版图cellview,添加PDK库中的instance(mos、pip电容等)。
为节省版图面积,具有对称结构的mos管做成了叉指结构,对于大尺寸mos管,也采用叉指结构设计,这样可以合理利用版图面积。
由于有些结构(如pip电容等)的连线与其他电路结构中的金属层不能实现或很难实现不交叉,所以使用了met2层作跳线连接。
所有pmos器件完成后,用一个大N阱将其放在一起。
放置M1-NWELL和M1-PSUB接触时应加大阱和器件的距离。
所有器件连线完成后,用met1的label层打上输入输出端口和vdd、gnd的标签。
版图如图28所示。
图28电路对应版图由于分辨率限制,上述整体电路很难看到全貌,一些细节都无法看到,将二级运放和反馈电路及偏置局部放大后重新截图。
局部电路图如图29、30所示。
哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)图29二级运放版图图30反馈回路及其偏置电路版图四、版图验证1.divaDRC验证采用DIVA做DRC验证,在DRC验证之前要将divaDRC拷贝到版图库中,在版图编辑界面,点击菜单Verify-DRC,出现下面对话框,然后点击SetSwitches按钮,按住ctrl复选选择2P2M、DUALGETE_process、Enable_Antenna_Rules、Enable_Latch_Up_Rules,即选择需要进行DRC检查的选项,如图31所示,DRC结果如图32所示。
哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)图31divaDRC选项图32divaDRC结果首次进行divaDRC之后出现了一些错误,比如金属之间间距过小、金属线过细等。
通过根据报错提示进行适当地修改版图,最终无报错,结果如图32所示。
2.calibreDRC验证在版图界面中点击Calibre,设置好路径之后点击runDRC,结果如图33所示,总结报告如图34所示。
哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)图33calibreDRC图34DRC总结报告从图34可以看出,出现了一个错误:
金属2密度不够。
版图中使用了MET2层作为跳线,但是,由于金属层的密度是金属自带的参数,其密度本身不影响版图设计,可以认为DRC通过。
3.calibreLVS验证在版图界面中点击Calibre-runLVS,设置好路径之后点击runLVS,LVS结果如图35所示,LVS报告如图36所示。
图35calibreLVS结果哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)图36calibreLVS报告4.calibrePEX验证在版图界面中点击Calibre,设置好路径之后点击runPEX,得到各mos管工作参数及各节点对地寄生电容。
PEX结果如图37、38所示。
图37PEX报告
(1)图38PEX报告
(2)哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)由检查报告中提到的“two_stage_list.TWO_STAGE_AMP.pxi”文件中的具体内容可得各个节点之间的寄生电容,检查结果如图39所示.图40节点间寄生电容五、结果分析及性能评估通过仿真分析,该二级运放的各个器件参数设置基本合理。
仿真结果显示,除相位裕度和slewrate与预期有一些误差允许范围内的偏差之外,其余特性均较好,满足设计需求。
出现未满足设计需求的原因可能有:
1.PDK库中的元件不是具有理想特性,但是在计算的过程中均采用的是理想器件的模型,所以可能导致出现偏差;2.计算过程中的参数(如宽长比)都是近似取整,如果每个器件都取近似值的话不可避免的会出现误差;3.可能由于零极点的分析存在疏漏,引入了新的零极点,影响了运放整体性能。
版图设计能契合电路图,并通过了DRC、LVS、PEX验证,说明版图的设计是合理的。
如果进行版图优化,可以继续缩小元器件的间距,或者选择更加合理的器件摆放位置和顺序来进一步减小面积。
六、结论通过设计电路图,得到的二级运放满足设计要求,具体指标如下:
直流特性良好,静态功耗1.39mW;交流特性GBW=6.48MHz,相位裕度69,在误差允许范围内。
低频增益79.56dB,约9397V/V;小信号瞬态分析得到的增益为5590.65;输入输出噪声特性正常;ICMR为307.5mV4.88V,输出摆幅为399mV-4.88V;低频CMRR=83.20dB;低频PSRR=84.89dB,高频PSRR=47.53dB;上升时间197ns,下降时间522ns;上升过程SR=20.14V/us,下降过程SR=9.53V/us。
所设计的对应版图通过了divaDRC和calibre的DRC、LVS、PEX过程,版图符合电路图功能且没有违反设计规则,版图设计达到目标。
总体来说完成了课程设计要求的全部内容。
通过本次课程设计,我对二级运放的频率补偿有了更加深刻的认识,同时也掌握了对于运放基本特性的仿真测试方法。
通过设计版图,重新回顾了叉指mos管的设计方法以及各器件的版图连接方式,更加熟练的掌握了版图设计的技巧。
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