Virtuoso IC5141 实验六 全差动运算放大器设计
一、实验目的
1.学习设计二极管连接的MOS做负载的放大器，根据仿真现象使用理论对其分析。
2.学习设计全差动电流源作负载的差动放大器，根据仿真现象使用理论对其分析。
3.学习设计共源共栅全差动放大器，根据仿真现象使用理论对其分析。
4.学习运放参数测试的各种电路，了解其测试原理（CMRR,PSRR,GBW，噪声）。
5.熟悉IC514仿真环境，学会使用Calculator，Results Browser对参数进行运算和显示。
二、实验环境
集成电路设计实验室；Red Hat Enterprise linux5、Cadence IC Design Tools 5.10.41
三、实验原理
1. 二极管连接的MOS做负载的差动对电路详解
图1二极管连接的MOS做负载的差动对电路详解
2. 全差动电流源作负载的差动对电路详解
图2全差动电流源作负载的差动对大信号分析
图3全差动电流源作负载的差动对小信号分析
3. 共源共栅全差动放大器电路详解
图4共源共栅全差动放大器大信号分析
图5共源共栅全差动放大器小信号分析
四、实验步骤
0. 仿真图形的导出
在科研工作中，正确无失真的得到实验结果是十分必要的，所以在实验的开始，展示如何保存Candece 中仿真得到的各种图标。
以全差动电流镜负载放大器的Gain幅频特性曲线做演示：
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图6 对关键数据做标记 |
图7 导出图片 |
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图8 选择导出类型 |
图9 在windows共享文件夹下查看 |
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图10 最终仿真结果 | PNG格式：无损压缩，支持透明度，但文件较大。 TIFF格式：无损压缩，支持多通道，适用于印刷，不适合网络，文件大。 BMP格式：无损压缩，适用于Windows系统，文件大，不适用于网络。 |
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【备注】：从此次试验后，我的报告严格按照此方法插入实验结果。
1.【实验一】二极管连接的MOS做负载的差动对电路
a.原理图搭建
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图11 原理图搭建 |
图12 仿真环境配置 |
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图13 查看每个管子的工作状态 |
图14 仿真结果如下 |
b.生成symbol
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图15 给原理图添加端口 |
图16 打开symbol生成界面 |
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图17 绘制symbol | |
c.搭建仿真平台，仿真Gain，Bandwith，Set Time，CMRR，PSRR
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图18 导入symbol |
图19 总仿真环境搭建与测量项一览 |
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图20 总测试原理图一览 | |
2.【实验二】全差动电流源作负载
a.原理图搭建
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图21 如图搭建原理图 |
图22 仿真环境配置 |
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图23 查看放大器工作区无误 |
图24 仿真结果如下 |
b.生成symbol
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图25 给原理图添加端口 |
图26 打开symbol生成界面 |
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图27 绘制symbol | |
c.搭建仿真平台，仿真Gain,Set Time，CMRR，PSRR
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图28 导入symbol |
图29 总仿真环境搭建与测量项一览 |
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图30 总测试原理图一览 | |
3.【实验三】共源共栅全差动放大器
a.原理图搭建
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图31 如图搭建原理图 |
图32 仿真环境配置 |
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图33 查看放大器工作区无误 |
b.生成symbol
c.搭建仿真平台，仿真Gain，Bandwidth，Set Time，CMRR，PSRR
五、仿真结果及分析
1.【实验一】二极管连接的MOS做负载的差动对电路
a. schematic
图34 二极管连接的MOS做负载的差动对原理图
图35 测试原理图
b.各管子工作区
图36 工作区状态
可见，所有MOS管均处在饱和区，偏置配置正常。
c. Gain & Bandwidth
图37 Gain & Phase
可见，此电路增益为6.2dB,未实现放大功能，但所有MOS均处于放大状态，这是由于PMOS二极管连接大大降低了电路的输出电阻，导致增益下降，此结构不作为运放的主放大电路。由于电路两个极点都是低阻抗节点，考虑到负载电容的影响，电路主极点肯定很小。
d. Set Time
图38 Set Time
可见，此运放的建立时间为0.4us。
2.【实验二】全差动电流源作负载
a. schematic
图39全差动电流源作负载原理图
b.各管子工作区
图40 工作区状态
可见，所有MOS管均处在饱和区，偏置配置正常。
c. Gain & Bandwidth
图41 Gain & Phase
如图所示，该电路的增益为35.69dB。0dB时相位为-90，相位裕度90度，妥妥的单极点系统，输出阻抗为r01||r02，输出为高阻抗节点。
d. Set Time
图42 Set Time
可见，此电路的建立时间为15us。SR太小了，几乎是不能用。
3.【实验三】共源共栅全差动放大器
a. schematic
图43 Set Time
【备注】：额……没调出来。
六、心得体会
本次实验主要分为三个小实验，第一个实验是二极管连接的MOS做负载的差动对；第二个实验是全差动电流镜做负载的差动对；第三个实验是共源共栅的全差动放大器。实验步骤主要有搭建电路，调工作点确保每个管子处于饱和状态，对电路进行封装，使用封装好的模型搭建测试电路，得到增益，相位裕度，建立时间。
本次实验存在问题如下：
- 第一次对双输入双输出的电路进行测试，对于一些参数如CMRR,PSRR等参数的测量存在疑惑。
- 每个电路可以分为主放大器,负载，尾电流，偏执电路。当负载为电流源时，不清楚电路总电流由哪个决定。后来想明白了，电流由负载电流镜决定，尾电流确保两个差动输入放大器偏置正常，电路的增益可以调节放大管的宽长比或阈值电压适当增大。
- 一般的设计思路应该是根据电路功耗对每条路分配电流，根据GBW,输出摆幅，输出工作点确定电路的过驱动电压，然后由电流和过驱动电压算出每一条路的宽长比，验证增益，求解偏置电压范围。如果增益不够，增大栅长，保持宽敞比不变。我们的实验缺少一些必要的设计指标，比如增益多少，带宽多少。实验中我大多都是自己设置指标，导致有的指标表要求过高，对于这个电路很难满足，所以退而求其次，让管子饱和即可。
- 本周大多在搞集创相关的东西，所以时间上不是很充裕，后面我会在调第三个实验，争取有所收获。
再次感谢王老师的讲授，希望自己不负韶华。