模集实验一:电流源负载的共源极放大器设计

本文详细介绍了电流源负载的共源极放大器设计,探讨了输出直流工作电压与NMOS管尺寸的决定关系、增益与尺寸的依赖性,以及增益与带宽的折衷。通过仿真与手动计算,得出W不变L增大时增益增大,而L不变W增大时增益减小的结论。同时,提出了增益大于30dB的电路设计方案。

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一、题目要求

1、基本目标:

①设计一个电流源负载的共源放大器,电路图如图所示。

图1 电流源负载的共源放大器电路原理图

②参数要求:VDD=1.8V,I1=100μA。增益Av>20dB ,输出摆幅>1V。

③设计要求。电源vdd,地gnd,直流电压源vdc和电流源idc,均来自于analogLib; NMOS管、PMOS管来自于tsmc18rf的NMOS2V和PMOS2V。

④暂时取MN1的输入电压VG=0.7V(以满足摆幅要求)

2、设计要求。

①给出满足题目要求的电路图和电路网表

②利用(1基本目标)给出的对电路进行仿真,仿真内容包括:直流分析求静态工作点,以满足摆幅要求;交流小信号分析求增益、带宽等;瞬态分析,验证增益。需要填写下表:

表1 NMOS管尺寸与输出各参数

W(μm)

L(μm)

Vout (op,V)

AV(增益,模拟)

3dB带宽(Hz)

单位增益带宽(Hz)

输出最大摆幅(V)

2

0.18

0.89443

24.0033

1.098*10-9

23.2770

1164.363

0.19

1.01328

24.8951

1.122*10-9

22.2894

1161.153

0.20

1.12265

25.3470

1.208*10-9

21.4724

1159.404

2.2

0.18

0.62577

25.8764

1.107*10-9

23.4530

1162.473

0.19

0.74180

25.9904

1.011*10-9

23.0600

1159.287

0.20

0.86283

25.9151

0.981*10-9

22.4720

1156.587

2.4

0.18

0.41108

23.1766

1.400*10-9

22.7370

1160.914

0.19

### 不同工艺角下电流源负载放大器设计与性能分析 #### 工艺角的影响因素 在半导体制造过程中,由于材料特性和加工条件的变化,在不同的工艺角(典型、快速N型晶体管/慢速P型晶体管、慢速N型晶体管/快速P型晶体管等),器件参数会发生变化。这些变化会影响电路的工作状态和性能指标。 对于电流源负载放大器而言,主要影响体现在阈值电压\(V_t\)、跨导\(g_m\)以及输出电阻等方面[^1]。 #### 阈值电压差异 当采用不同类型的工艺角时,MOSFETs 的阈值电压会有所区别。例如,在TT (Typical-Typical) 角度条件下,NMOS 和 PMOS 器件都处于标准工作式;而在FF(Fast-Fast)角度,则意味着 NMOS 和 PMOS 同时具有较低的阈值电压,这可能导致更高的增益但同时也可能带来更大的静态功耗。相反地,在SS(Slow-Slow)情况下,较高的阈值电压可能会降低增益并增加线性范围内的失真程度[^2]。 #### 跨导gm的变化 随着温度升高或者其他环境因素改变,沟道长度调制效应增强,使得实际使用的 MOSFET 的有效宽度减小,从而降低了其跨导 gm 。这种现象尤其明显于 SS 或 FS( Fast-NMOS / Slow-PMOS ) 这样的端情况之下,因为此时 N 沟道 FET 更容易受到影响而表现出更显著的 gm 下降趋势。 #### 输出阻抗调整 为了保持良好的频率响应和平坦度,通常希望电流源能够提供尽可能高的输出阻抗。然而,在某些特定的工艺角落里,比如 SF(Slow-NMOS/Fast-PMOS),如果 P 沟道器件的速度远超预期,则有可能造成负反馈路径中的相位裕量不足,进而引发稳定性方面的问题。因此,在这类情形下往往需要重新评估原有的补偿策略,并适当调节外部元件数值来维持系统的稳定运行。 ```matlab % MATLAB 代码用于拟不同工艺角下的电流源负载放大器性能 clear all; clc; % 定义变量 corners = {'tt', 'ff', 'ss', 'sf', 'fs'}; for i=1:length(corners) eval(['load ', corners{i}, '_corner_data.mat']); % 计算增益、带宽和其他重要参数... end ```
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