Пример проектирования усилительного каскада с общим истоком с резистивной нагрузкой

Собрать схему, изображенную на рис. 1.1. Получить коэффициент усиления А=5, выходное сопротивление r_out = 1 кОм. Входной сигнал – синусоидальный, с амплитудой 4 мВ и частотой 1 МГц.

Рис. 1.1. Схема усилительного каскада с общим истоком (резистивная нагрузка)

1. Запускаем Cadence (icfb) в папке с библиотекой gpdk090.

2. Создаем новую библиотеку и вид ячейки schematic. Далее в схемотехническом редакторе Virtuoso Schematic Editing собираем указанную схему.

3. Задаем параметры элементов с использованием переменных:

W и L - ширина и длина канала входного транзистора соответственно;

R - сопротивление резистора;

Ugs - напряжение смещения на затворе входного транзистора.

Свойства транзистора приведены на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Свойства входного транзистора

В свойствах резистора в поле Resistance задаем переменную R, в свойствах источника постоянного напряжения в поле DC Voltage – напряжение питания 1,2 В. Свойства источника синусоидального сигнала устанавливаем согласно рис. 1.3.

Рис. 1.3. Свойства источника синусоидального сигнала Vsin

4. Запускаем Analog Design Environment (ADE) и изменяем средство просмотра формы сигналов с Wavescan на AWD. Для этого выбираем Session -> Option и в поле Waveform Tool устанавливаем флаг AWD.

5. Копируем имена переменных из свойств элементов (Variables -> Copy from Cellview) и устанавливаем начальные значения, как показано на рис. 1.4.

Для снижения негативного влияния короткоканальных эффектов увеличим длину канала до 200 нм.

Рис. 1.4. Окно ADE с заданными значениями переменных

6. Построим передаточную характеристику схемы с общим истоком.

Для этого выбираем анализ по постоянному току (Analyses -> Choose, далее DC) и в качестве аргумента задаем напряжение смещения Ugs (Design Variable -> Select Design Variable, далее в выпадающем окне выбираем Ugs), как показано на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Окно выбора анализа

Далее добавляем выводы для отображения: выбираем Outputs -> To Be Plotted -> Select On Schematic и выделяем на схеме ветви out, in. Затем сохраняем выбранные выводы (Outputs -> To Be Saved -> Add To) и жмем Netlist and Run.

Полученная передаточная характеристика изображена на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Передаточная характеристика схемы с общим истоком

7. В общем случае коэффициент усиления каскада с общим истоком определяется по формуле (1.1):

, (1.1)

где g_m – крутизна транзистора по затвору (А/В);

R_L – сопротивление нагрузки (Ом).

С другой стороны,

, (1.2)

где V_out – выходное напряжение (В);

V_in – входное напряжение (В).

Это есть не что иное, как производная от передаточной характеристики.

На рис. 1.7 показано, как с помощью калькулятора получить производную: Tools -> Calculator и далее выбираем Special Functions -> deriv.

Добавляем производную в поле Outputs: выбираем в ADE Outputs -> Setup и далее Get Expression.

Рис. 1.7. Получение производной с помощью калькулятора

8. Для того чтобы получить коэффициент усиления А=5, необходимо вычислить соответствующую ширину транзистора. При этом входной транзистор должен оставаться в режиме насыщения. Проведем параметрический анализ. В окне ADE выбираем Tools -> Parametric Analysis, в окне параметрического анализа, изображенном на рисунке 8, жмем Setup -> Pick Name For Variable и в появившемся окне выбираем переменную W. Задаем диапазон изменения ширины канала и шаг изменения: From 20u To 200u, Linear Steps -> Step Size 20u.

Рис. 1.8. Параметрический анализ по ширине канала транзистора

Построенные графики изображены на рис. 1.9.

Рис. 1.9. Графики передаточной функции схемы с общим истоком (справа) и ее производной – коэффициента усиления (слева)

Коэффициент усиления А=5 достигается при ширине канала входного транзистора W = 40 мкм. При этом, как видно из графика передаточной функции, транзистор остается в режиме насыщения.

9. Графики входного и выходного сигналов при временном анализе изображены на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Графики входного (сверху) и выходного (снизу) сигналов при временном анализе

10. Построим амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) схемы с общим истоком. Для этого в окне ADE выбираем Analyses -> Choose и далее ac анализ. Задаем диапазон частот Frequency 1M to 10G, Logarithmic Points Per Decade 20, AC magnitude 1.0. Затем в ADE выбираем Results -> Direct Plot -> Main Form… и добавляем вывод out.

Полученная АЧХ схемы изображена на рис. 1.11.

Рис. 1.11. АЧХ схемы с общим истоком

11. Сохраняем проект: в окне ADE выбираем Session -> Save State.

Итак, мы получили коэффициент усиления А=5 при ширине канала входного транзистора W = 40 мкм, длине канала l = 200 нм и сопротивлении нагрузки R = 200 Ом.