用Cadence仿真基本CMOS放大器电路

摘 要： 用Cadence软件仿真两种基本CMOS放大器电路，旨在站在初学者的角度介绍仿真思想。电路在设计与仿真时会出现的诸多问题，例如为得到较大的电压摆幅而使某些管子在工作时进入三极管区，导致增益降低；沟道长度调制效应和体效应的影响；如何确定MOS管的沟道长度L和沟道宽度W。针对以上问题，介绍一种既联系数学公式又考虑实际电路效应的仿真思想。为方便初学者学习使用Cadence，还给出具体操作步骤。

关键词： Cadence；仿真；CMOS；放大器

中图分类号：TP368 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0310020－03

0 引言

在电路设计领域中，模拟电路设计（Design of Analog Circuit）是不可或缺的部分，而模拟CMOS集成电路设计（Design of Analog CMOS Integrated Circuit）已成为其核心。

当模拟电路设计完成后必须进行仿真验证，模拟、混合信号IC的仿真验证是IC设计成败的关键。Cadence软件提供非常完整的模拟、混合信号仿真验证的解决方案，因此现在工业界多使用Cadence软件，那么学会使用Cadence将是非常有必要的。

刚开始学习CMOS模拟电路设计的大学生一定会遇到不小的难题，但是若在学习的同时使用Cadence来进行仿真验证，这将对知识的领悟是大有裨益的。因此，本文旨在通过对三种简单CMOS放大器的设计与仿真来介绍一些便于理解的仿真思想，希望能帮助初学者学习和分析。

1 共源共栅放大器的设计与仿真

将欲搭建的器件、电阻、电源和地线按照图4构造电路，下文中出现的符号（如M4）可通过图4查看。电源设置5V，nmos选择“mn”，pmos选择“mp”，为了近似可以忽略沟道调制效应，采用沟道长度L=4 。

1.1 设定直流工作点以及各个参数

1.1.1 确定M4的直流电压、电流和W（沟道宽度）

首先引出一个惯例：一般取 ，并且习惯设定管子的过驱动电压 。那么M4的

，Vb3=5V-1.2V=3.8V。现在开始确定M4的W，假设根据功耗要求

，先给W设定a*1 ，然后DC单独扫描出a即可，单独扫描的电路如图1所示。DC扫描操作步骤：首先用Outputs中的To be saved将要检测结点的电流保存，单击该结点即可；再DC扫描一次；最后点击ToolsCalculatordc，点击第一步中To be saved保存的结点，选中 即可观测a与 的关系。

备注：因为共源共栅有屏蔽特性，则交流作用时 几乎维持 不

变，为了获得最大摆幅而将M4设定在临界饱和附近，但为了保险，给它留了0.1V的余度，因此图1中电压源设定为4.7V-0.1V=4.6V。

切记不能直接在电路图中DC扫描，这样M4的 受到下面还未确定参数的MOS管影响。所以一定要在旁边单独画出电路来设定M4的W，其它MOS管也要这样操作。我要指出一点：我们在设置各MOS管的W时，应谨记M1和M4由于屏蔽特性要随时工作在饱和区边沿才能有最大摆幅，而M2和M3在直流时的 和 应均分。

1.1.2 确定M1，M2，M3的直流电压和W（沟道宽度）

现在来确定M1的参数，由于 ，则

还是对M1的W进行扫描，保证，电路如图2所示。

图3中， ，电压源V10=2.5V，扫描W使

现在来确定M2的参数，由于，则Vb1=1.0V+

瞬时（tran）仿真结果如图4所示：

1.2 Ac扫描

增益幅度（分贝）扫描结果如图5：

增益相位（度）扫描结果如图6：

2 套筒式差动放大器的设计与仿真

将欲搭建的器件、电阻、电源和地线按照图11构造电路，下文中出现的符号（如M0）可通过图11查看。电源设置5V，nmos选择“mn”，pmos选择“mp”，为了近似可以忽略沟道调制效应，采用沟道长度L=4 。

2.1 设定直流工作点以及各个参数

2.1.1 确定M0的直流电压、电流和W（沟道宽度）

根据惯例，取由于一般正常工作时希望有较大的输出摆幅，设定但是DC扫描W时应给M0留出一点余度，所以取 来扫描（即图7中）。

2.1.2 确定M1、M2的直流电压和W（沟道宽度）

M1的

注意：当直流工作时M1和M2的端电压完全相同（可以看作并联），所以干脆把右图中M1的并联数设定为真实套筒式差动放大器电路中M1并联数的两倍（这时的M1代替M1和M2的共同作用，则是在 的条件下扫描出W的，这时的W放在真实套筒式差动放大器电路中，流过M1的直流电

M2和M1的参数完全一样。

2.1.3 确定M7和M8的直流电压和W（沟道宽度）

备注：因为共源共栅有屏蔽特性，则交流作用时 几乎维持

不变，而为了获得最大摆幅应将M7设定在临界饱和附近，但为了保险，给它留了0.1V的余度，因此图9电压源设定为4.7V-0.1V=4.6V。

切记不能直接在电路图中DC扫描，这样M7的 受到下面还未确定参数的MOS管影响。所以一定要在旁边单独画出电路来设定M7的W，其它MOS管也要这样操作。

M8和M7的参数完全一样。

2.1.4 确定M5和M6的直流电压和W（沟道宽度）

M6和M5的参数完全一样。

2.1.5 确定M3和M4的直流电压和W（沟道宽度）

瞬时（tran）仿真结果如图11所示：

2.2 Ac扫描

增益幅度（分贝）扫描结果如图12：

增益相位（度）扫描结果如图13：

3 结论

本文采用既联系数学公式又考虑实际电路效应的仿真思想，解决了为了得到较大的电压摆幅而使某些管子在工作时进入三极管区，导致增益降低；沟道长度调制效应和体效应的影响；如何确定MOS管的沟道长度L和沟道宽度W等初学者难以考虑到的问题。本文阐述的仿真思想在诸多复杂CMOS模拟集成电路的设计与仿真验证中都可供初学者借鉴。

参考文献：

[1]毕查德.拉扎维著，模拟CMOS集成电路设计[M].陈贵灿等译，西安：西安交通大学出版社，2002.12.

[2]P.E.艾伦、D.R.霍尔伯格著，CMOS模拟电路设计[M].王正华、叶小琳译，北京：科学出版社，1995.