微电子课程设计 基本cs和cascode放大器概要
模拟CMOS集成电路设计优质课程设计实验报告二级放大器的设计
模拟CMOS集成电路设计课程设计报告--------二级运算放大器旳设计信息科学技术学院电子与科学技术系一、概述：运算放大器是一种能将两个输入电压之差放大并输出旳集成电路。
运算放大器是模拟电子技术中最常用旳电路，在某种限度上，可以把它当作一种类似于BJT 或FET 旳电子器件。
它是许多模拟系统和混合信号系统中旳重要构成部分。
它旳重要参数涉及：开环增益、单位增益带宽、相位阈度、输入阻抗、输入偏流、失调电压、漂移、噪声、输入共模与差模范畴、输出驱动能力、建立时间与压摆率、CMRR、PSRR以及功耗等。
二、设计任务：设计一种二级运算放大器，使其满足下列设计指标：三、电路分析：1.电路构造：最基本旳二级运算放大器如下图所示，重要涉及四部分：第一级放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。
2.电路描述：输入级放大电路由PM2、PM0、PM1和NM0、NM1构成。
PM0和PM1构成差分输入对，使用差分对可以有效地克制共模信号干扰；NM0和NM1构成电流镜作为有源负载；PM2作为恒流源为放大器第一级提供恒定旳偏置电流。
第二级放大电路由NM2和PM3构成。
NM2为共源放大器；PM3为恒流源作负载。
相位补偿电路由电阻R0和电容C0构成，跨接在第二级输入输出之间，构成RC米勒补偿。
此外从电流电压转换角度来看，PM0和PM1为第一级差分跨导级，将差分输入电压转换为差分电流。
NM0和NM1为第一级负载，将差模电流恢复为差模电压。
NM2为第二级跨导级，将差分电压信号转换为电流，而PM3再次将电流信号转换成电压信号输出。
偏置电压由V0和V2给出。
3.静态特性对第一级放大电路：构成差分对旳PM0和PM1完全对称，故有G m1=g mp0=g mp1 (1)第一级输出电阻R out1=r op1||r on1 (2)则第一级电压增益A1=G m1Rout1=g mp0,1(r op1||r on1) (3) 对第二级放大电路：电压增益A2=G m2R out2= -g mn2(r on2||r op3) (4) 故总旳直流开环电压增益A0=A1A2= -g mp0,1g mn2(r op1||r on1)(r on2||r op3) (5) 由于所有旳管子都工作在饱和区，因此对于gm我们可以用公式g m =D I L W )/(Cox 2μ (6) 进行计算；而电阻r o 可由下式计算 r o =DI 1λ (7)其中λ为沟道长度调制系数且λ∝1/L 。
微电子课程设计 基本cs和cascode放大器
哈尔滨理工大学软件学院课程设计报告课程微电子电路（双语）题目带有源负载的CS放大器与带有源负载的cascode放大器班级集成11-4班专业集成电路设计与集成系统学生张翠学号1114020432指导教师徐瑞2013年11月8日目录1.课程设计目的 ....................................2.课程设计题目描述和要求 .............................3.课程设计报告内容 ............................3.1、带有源负载的CS放大器 ......................3.2、带有源负载的cascode放大器 .................4.心得体会 .........................................5.参考书目 .........................................一.课程设计目的1.熟悉并掌握Orcad中的capture CIS，Hspice与cosmosScope软件的使用。
2.掌握使用capture CIS建立带有源负载的CS放大器与带有源负载的cascode放大器的电路并导出网表。
3.熟练应用Hspice仿真网表并修改分析网表，学会用comosScope查看分析波形。
4.在扎实的基础上强化实践能力，把微电子理论实践化。
二.课程设计题目描述和要求分析如图这样的带有源负载的共源极放大器与带有源负载的cascode 放大器的开环增益，3dB频宽，单位增益频率。
其中负载电容为3PF，电源电压为5V，要求CS放大器的开环增益大于30dB，cascode放大器的开环增益大于60dB。
对仿真结果进行分析，功耗小于2mW。
VddCVddC三.课程设计报告内容 1.设计过程： A 、理论分析对2种放大器分别进行分析，设定初值，查找参数值，进行推测和计算、记录各个节点的电流值，电压值，电阻值。
cascode放大器结构原理
cascode放大器结构原理
Cascode放大器是由一个共源共极放大器和一个共栅共源放大器组成的二级放大器。
它的结构可以保证较高的增益和较宽的带宽。
具体来说，输入信号先经过共源共极放大器进行放大，再通过共栅共源放大器进行二次放大。
这种结构可以有效地避免共源共极放大器的Miller效应和共栅共源放大器的热电流噪声，同时提高整个电路的线性度和稳定性。
Cascode放大器的关键是两个三极管的串联，共源共极放大器和共栅共源放大器的晶体管的级联式的电路结构，可以避免MOSFET的Miller效应，从而增强整个电路的线性度，还能提高带宽和增益，并减少功耗。
同时，这种结构具有电压转移倍增特性，可以使输出阻抗变得十分高，因此适用于驱动负载电容非常大的场合，例如显示器等应用。
5.2 Cascode放大电路
5.2.1 Cascode 放大电路的特点C 1C 2+V DD R DR G1T 2T 1R G2R G3u ou iC 3Cascode ——串叠式，又名沃尔曼电路Cascade——级联特点：i D1=i D2结构：第一级共源第二级共栅@仿真5-2-1例5-2-1的仿真5.2.2中频段动态参数D1m 1gs D1gs 1m i o up R g u R u g u u A -=-== 2G G1i //R R R = Do R R =与单管共源放大电路一致！2gs 2m 1gs 1m u g u g =假设两个管子特性一致！2gs 1gs u u =单看第一级放大倍数1up -=A 第一级不提供电压放大，放大倍数由第二级共栅放大提供5.2.3 Cascode 放大电路的频率响应1、下限频率()1G2G11i L1//π21π21C R R C R f ==()()0π21π212L D 2L o L2=+=+=C R R C R R f ()33G G2L3//π21C R R f =R G1R G2u i u gs1g m1u gs1g m2u gs2u gs2R Du oC gd1C gs1C ds1C gs2 C ds2 C gd2C 1C 2C 3R G35.2 Cascode 放大电路5.2.3 Cascode 放大电路的频率响应gdD gd2D H π21π21C R C R f ==2、上限频率R G1R G2u i u gs1g m1u gs1g m2u gs2u gs2R Du oC gs2 C ds2C gd2 C gd1+C ds1 R G1R G2u i u gs1g m1u gs1g m2u gs2u gs2R Du oC ds2 C gd2第一级近似第二级近似∵第一级|A up |=1忽略电容忽略电容@仿真5-2-2Cascode 电路与单级共源放大电路比较。
CMOS模拟集成电路分析与设计 第9章 基本运算放大器设计
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3
9.1
模拟集成电路设计流程概述
问题报告书 （设计需求） 规格定义
噪声
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14
9.3.7
一个典型的运放参数
边界条件 边界条件 工艺规范 电源电压 电源电流 工作温度范围 要求 取决于具体工艺 2.5V 10%
100uA
0-70℃
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特性指标
特性指标
增益 增益带宽 建立时间 摆率 |ICMR| CMRR PSRR 输出摆幅
7
9.3
运算放大器的设计指标
第一步是选择或构造运算放大器的基本结构，描述所有晶体管互连的草 图。多数情况下，这个结构在整个设计中不会改变，但有时，某些选好 的设计特性必须通过改变结构来实现。 一旦结构确定，设计者根据功耗、摆率等要求确定直流偏置电流，设置 管子尺寸，并设计补偿电路。这个步骤是设计工作的主要内容。
19
基本计算依据1
摆率：
I5 SR Cc
第一级增益：
g m1 2 g m1 Av1 g ds 2 g ds 4 I 5 ( 2 4 )
第二级增益：
g m6 g m6 Av 2 g ds 6 g ds 7 I 6 ( 6 7 )
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9.3.1 边界条件
COX
VTH
4．工作温度范围
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9
9.3.2 增益
集成放大器的课程设计
集成放大器的课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解集成放大器的原理和分类，掌握不同类型放大器的特点和应用场景。
2. 使学生掌握集成放大器的电路组成、工作原理和主要参数，能够分析放大电路的性能。
3. 帮助学生掌握集成放大器的选型和调试方法，提高实际应用能力。
技能目标：1. 培养学生运用集成放大器设计简单放大电路的能力，能够进行电路仿真和实验操作。
2. 提高学生分析和解决集成放大器应用中常见问题的能力，如噪声、稳定性等。
3. 培养学生查阅相关资料，了解集成放大器的发展趋势和新型产品。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对电子技术的兴趣，培养认真、严谨的科学态度。
2. 培养学生的团队合作意识，学会与他人共同解决问题，提高沟通能力。
3. 使学生认识到集成放大器在现代社会中的重要作用，增强社会责任感和创新意识。
分析课程性质、学生特点和教学要求：1. 本课程属于电子技术领域，具有较强的理论性和实践性。
2. 学生为高中年级，具备一定的电子基础，求知欲强，喜欢动手实践。
3. 教学要求注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力和创新能力。
二、教学内容1. 集成放大器概述- 了解集成放大器的发展历程、分类和特点。
- 掌握常用集成放大器的型号和性能。
2. 集成放大器的工作原理- 学习放大器的基本工作原理，如放大倍数、输入输出阻抗等。
- 掌握差分放大电路、功率放大电路的组成和原理。
3. 集成放大器的电路设计- 学习集成放大器的选型方法和电路设计步骤。
- 掌握反馈电路的设计，分析闭环放大器的性能。
4. 集成放大器的应用实例- 分析典型应用电路，如音频放大器、测量放大器等。
- 学习集成放大器在实际应用中的调试和优化方法。
5. 集成放大器的发展趋势- 了解新型集成放大器的发展动态，如Class D放大器等。
- 探讨集成放大器在新能源、物联网等领域的应用前景。
教学内容安排与进度：1. 第1周：集成放大器概述、分类和特点。
运算放大器设计总结.概要
一．运算放大器的基本参数1.开环电压增益A OL不带负反馈的状态下，运算放大器对直流信号的放大倍数。
电压反馈运算放大器采用电压输入/电压输出方式工作，其开环增益为无量纲比，所以不需要单位。
但是，数值较小时，为方便起见，数据手册会以V/mV或V/μV代替V/V表示增益，电压增益也可以dB形式表示，换算关系为dB = 20×logAVOL。
因此，1V/μV的开环增益相当于120 dB，以此类推。
该参数与频率密切相关，随着频率的增加而减小，相位也会发生偏移。
对于反向比例放大电路，只有当AOL＞＞R+Rf时，Vo=-Rf/RVi才能够成立。
2.单位增益带宽B1（Gain-Bandwidth Product）开环电压增益大于等于1（0dB）时的那个频率范围，以Hz为单位。
它将告诉你将小信号（～±100mV）送入运放并且不失真的最高频率。
在滤波器设计电路中，假定运放滤波器增益为1V/V，则单位增益带宽大于等于滤波器截止频率f cut-off×100。
3.共模抑制比CMRR差分电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，CMRR=|Ad/Ac|。
共模输入电压会影响到输入差分对的偏置点。
由于输入电路内部固有的不匹配，偏置点的改变会引起失调电压改变，进而引起输出电压改变。
其实际的计算方法是失调电压变化量比共模电压变化量，一般来说CMRR=ΔVos/ΔVcom，TI及越来越多的公司将其定义为CMRR=ΔVcom/ΔVos。
在datasheet中该参数一般为直流参数，随着频率的增加而降低。
4.输入偏置电流Ibias输入偏置电流被定义为：运放的输入为规定电位时，流入两个输入端的电流平均值。
记为IB。
为了运放能正常的工作，运放都需要一定的偏置电流。
IB=(IN+IP)/2。
当信号源阻抗很高时，就必须关注输入偏流，因为如果运放有很大的输入偏流，就会对信号源构成负载，因而会看到一个比预想要低的信号源输出电压，如果信号源阻抗很高，那么最好使用一个以CMOS或者JFET作为输入级的运放，也可以采用降低信号源输出阻抗的方法，就是使用一个缓冲器，然后用缓冲器来驱动具有很大输入偏流的运放。
集成运算放大器课程设计
集成运算放大器课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握集成运算放大器的组成、工作原理和主要性能指标。
2. 使学生了解集成运算放大器在实际电路中的应用，如放大器、滤波器、比较器等。
3. 引导学生理解集成运算放大器的线性区和非线性区，并掌握相应的分析方法。
技能目标：1. 培养学生能够正确使用集成运算放大器进行电路设计的能力。
2. 提高学生分析、解决实际电路问题的能力，能运用集成运算放大器优化电路性能。
3. 培养学生运用所学知识，动手搭建和调试集成运算放大器相关电路。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对电子技术的兴趣，培养其创新意识和实践能力。
2. 培养学生具备团队协作精神，能够在小组合作中发挥个人优势，共同完成任务。
3. 引导学生认识集成运算放大器在科技发展中的重要作用，提高其社会责任感和使命感。
课程性质：本课程为电子技术基础课程，以理论教学和实践操作相结合的方式，使学生掌握集成运算放大器的相关知识。
学生特点：学生已具备一定的电子技术基础知识，具有较强的求知欲和动手能力。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，强调实际操作，提高学生的实践能力和创新能力。
通过课程学习，使学生能够将所学知识应用于实际电路设计和分析中。
二、教学内容本课程教学内容主要包括以下几部分：1. 集成运算放大器基础知识：- 集成运算放大器的组成、符号及主要参数- 集成运算放大器的工作原理- 集成运算放大器的线性区和非线性区分析2. 集成运算放大器在实际电路中的应用：- 放大器电路的设计与分析- 滤波器电路的设计与分析- 比较器电路的设计与分析3. 集成运算放大器的性能优化：- 负反馈对集成运算放大器性能的影响- 电压偏置电路的设计- 电路的稳定性分析4. 实践操作：- 搭建和调试基本放大器电路- 搭建和调试滤波器电路- 搭建和调试比较器电路教学内容依据教材相关章节进行组织，具体安排如下：1. 集成运算放大器基础知识（第1章）2. 集成运算放大器在实际电路中的应用（第2-4章）3. 集成运算放大器的性能优化（第5章）4. 实践操作（第6章）在教学过程中，注意引导学生掌握基本概念、分析方法，并结合实践操作，提高学生的实际应用能力。
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哈尔滨理工大学软件学院课程设计报告课程微电子电路（双语）题目带有源负载的CS放大器与带有源负载的cascode放大器班级集成11-4班专业集成电路设计与集成系统学生张翠学号1114020432指导教师徐瑞2013年11月8日目录1.课程设计目的 ....................................2.课程设计题目描述和要求 .............................3.课程设计报告内容 ............................3.1、带有源负载的CS放大器 ......................3.2、带有源负载的cascode放大器 .................4.心得体会 .........................................5.参考书目 .........................................一.课程设计目的1.熟悉并掌握Orcad中的capture CIS，Hspice与cosmosScope软件的使用。
2.掌握使用capture CIS建立带有源负载的CS放大器与带有源负载的cascode放大器的电路并导出网表。
3.熟练应用Hspice仿真网表并修改分析网表，学会用comosScope查看分析波形。
4.在扎实的基础上强化实践能力，把微电子理论实践化。
二.课程设计题目描述和要求分析如图这样的带有源负载的共源极放大器与带有源负载的cascode 放大器的开环增益，3dB频宽，单位增益频率。
其中负载电容为3PF，电源电压为5V，要求CS放大器的开环增益大于30dB，cascode放大器的开环增益大于60dB。
对仿真结果进行分析，功耗小于2mW。
VddCVddC三.课程设计报告内容 1.设计过程： A 、理论分析对2种放大器分别进行分析，设定初值，查找参数值，进行推测和计算、记录各个节点的电流值，电压值，电阻值。
a.CS放大器：， D LWm I k g '2= ，DA o I LV r '=假设100A =o，um L 2=由功耗小于mW 2可假设uA I D 100=从而推出45=LW. b.1 cascode放大器的第一种理论计算：，DLW mI k g '2= ，DA o I L V r '=，假设，umL 2=由功耗小于mW 2可假设uA I D 100=从而推出。
由433212o o m o o m r r g r r g =推出20b.2 cascode 放大器第二种理论计算：假设pAp n An L V L V ''=，既Ap An V V = ，由DA o I LV r '=可知o r 均相同，且um L n1=，um L p 2=。
所以由433212o o m o o m r r g r r g =可推出32=n pW W ，其中 DLW m I k g '2=.利用电流公式()2'21OV D V LW k I = ,1M :2.0=OV V2M :3.0=OV V 推出um W um W n n 20,4521==，理论推得um W p 60=B 、软件的使用首先使用capture CIS 画出电路原理图，完成后导出网表；然后用Hspice 仿真网表，检查无错后用CosmoScope 查看波形。
使用Hspice 工具时，对不同的点做扫描可得出精确的结果。
2.设计内容：A 、带有源负载的CS 放大器的网表及原理图1.cs* source DESIGN1C_C1 0 N00306 3pV_V1 N00357 0 5VdcM_Q4 N00357 N00312 N00306 N00357 NVP + L=2u+ x+ AD=80p+ AS=80pM_Q1 N00312 N00312 N00357 N00357 NVP + L=2u+ x+ AD=80p+ AS=80pM_Q3 N00306 N00770 0 0 NVN+ L=5u+ W=9u+ AD=80p+ AS=80pI_I1 N00312 0 DC 50uAdcV_V2 N00770 0 DC 1.55Vdc AC 1Vac.lib 'C:\lib\h05hvcddtt09v01.lib'tt .ac dec 10 1 1g sweep x 1u 100u 1u.end2.网表仿真截图管子饱和程度：3.给定n管的宽长比扫描P管的宽长比4.调试W/L的网表* source DESIGN1C_C1 0 N00306 3pV_V1 N00357 0 5VdcM_Q4 N00357 N00312 N00306 N00357 NVP + L=2u+ W=6u+ AD=80p+ AS=80pM_Q1 N00312 N00312 N00357 N00357 NVP + L=2u+ W=6u+ AD=80p+ AS=80pM_Q3 N00306 N00770 0 0 NVN+ L=5u+ W=9u+ AD=80p+ AS=80pI_I1 N00312 0 DC 50uAdcV_V2 N00770 0 DC 1.55Vdc AC 1Vac.lib 'C:\lib\h05hvcddtt09v01.lib'tt.ac dec 10 1 1g.end5.网表仿真截图管子饱和程度：6.基本CS的开环增益。
频宽。
单位增益频率。
B.cascode的相关网表及原理图1．先调节W/L* source CACOV_Vb N00867 0 DC 2.25VdcV_Vin N00957 0 DC 1.25Vdc AC 1VacM_Q1 N00553 N00957 0 0 NVN+ L=2u+ W=20u+ AD=80p+ AS=80pI_I1 N01102 0 DC 100uAdcM_Q2 N02167 N00867 N00553 0 NVN+ L=2u+ W=10u+ AD=80p+ AS=80pC_C N02167 0 3pM_Q3 N02167 N01102 N00504 N00424 NVP + L=2u+ W=76u+ AD=80p+ AS=80pV_Vdd N00424 0 5VdcM_Q4 N00504 N00527 N00424 N00424 NVP + L=2u+ W=74u+ AD=80p+ AS=80pM_Q5 N00527 N00527 N00424 N00424 NVP + L=2u+ W=74u+ AD=80p+ AS=80pM_Q6 N01102 N01102 N00527 N00424 NVP + L=2u+ W=76u+ AD=80p+ AS=80p.lib 'c:\lib\h05hvcddtt09v01.lib' tt.ac dec 10 1 10g*.dc V_Vin 1 5 0.1 V_Vb 0 4 0.1.op.end2.仿真结果截图3.Cascode 开环增益。
频宽。
单位增益频率。
四、心得体会通过这次微电子课程设计的实践，我认识到了自己的很多不足和缺点。
刚开始我们着手于管子的尺度，后来老师给我们的讲解顺序是先让管子饱和，根据功耗来算电流，我们选择一个相对较小的电流，50uA，这样利于管子饱和。
然后我跟给放大的n管一个相对合理的Vov，这样我们会算出一个相对合理的沟道宽长比，然后根据N管的宽长比，扫p管的W/L，然后再看管子是否饱和，之后看管子在饱和的时候的合适的W/L。
最后选定P管的W/L。
对于带有源负载的cascode放大器，我们本来想用相同的方法，根据算出来的N管，扫P管的W/L。
但是由于cascode的P管有4个，所以这样扫的时间很长，我们就放弃这个方法，我们在算管的N管，然后给个适当的P的W/L，调管子饱和程度，这样在调合适的增益。
由于我的失误，我把Q管的衬底接在该管子的源极上，导致Q1。
Q2饱和时Q3，Q4就不容易饱和，要不就是Q3，Q4饱和，Q1，Q2不饱和，我们又通过调节W/L，但是最终的结果就是Q3不饱和，要不就是Q1，Q2不饱和。
后来求助了老师，老师发现我的原理图有问题，所以才会发生这种情况，当我们知道问题所在之后，我们就会调W/L，然后就很容易的使管子饱和，然后达到我们需要的增益。
这次的课程设计，我们知道了，一点微小的错误就会产生很大的问题，我们要注意细节问题，在问题产生时，要仔细检查原理以及原图，不要对自己过分相信。
当自己所知道的知识都用过之后，还没有改变的情况时，我们要想想是不是原来的原理有问题，这样就不会浪费太多的时间，也能找出问题所在。
五、参考书目：［1］周玲玲，《微电子电路》，电子工业出版社，2008年。