アナログCMOS回路設計に入門しよう！
ラザビCMOS片手に解くことを想定してます。
狙い：シミュレータに慣れる、デバイス特性の確認、基本的なオペアンプの設計
★マークは中級レベルのチャレンジ問題なので最初は飛ばして良い。
想定条件
- Process: 180nm CMOS または 65nm CMOS 1.8V Tr. (何でも良いとは思います）
- VDD: 1.8V (1Vでもカスコード以外は組めると思います）
またLTSpiceでも実行できると思います。
MOSFET特性
1. NMOS Id-VGS特性
シミュレーション: DC sweep (VGS)
sweep
- VGS: 0 → 1.8V
固定条件
- VDS = 1.8V
- W = 1µm
- L = 200nm
確認事項
- Id vs VGS
- しきい値電圧
- uCoxを計算せよ
- 強反転領域はどこか？
2. PMOS Id-VGS特性
シミュレーション: DC sweep (VGS)
sweep
- VGS: 0 → 1.8V
固定条件
- VDS = 1.8V
- W = 1µm
- L = 200nm
確認事項
- Id vs VGS
- しきい値電圧
- uCox
- NMOSとの電流値の違い
3. NMOS Id-VDS特性
シミュレーション: DC sweep (VDS)
sweep
- VDS: 0 → 1.8V
固定条件
- VGS = 0.6V
- VGS = 0.8V
- VGS = 1.0V
- VGS = 1.2V
確認事項
- Id vs VDS
- 線形領域と飽和領域
4. NMOS gm特性
シミュレーション: DC sweep (VGS)
sweep
- VGS: 0 → 1.8V
固定条件
- VDS = 1.8V
確認事項
- gm vs VGS
- gm最大点
5. gm/Idプロット
シミュレーション: DC sweep
sweep
- VGS: 0 → 1.8V
固定条件
- VDS = 1V
確認事項
- gm/Id vs Id
- 動作領域（弱反転・強反転）
6. チャネル長依存性
シミュレーション: DC sweep
sweep
- L: 200nm, 300nm, 400nm, 800nm
固定条件
- VDS = 1.2V
- W = 1µm
確認事項
- Id-VGS比較
- LごとのId-VGS比較
- 短チャネル効果
7. 出力抵抗 ro
シミュレーション: DC sweep (VDS)
sweep
- VDS: 0 → 1.8V
固定条件
- VGS = 1.0V
確認事項
- Id vs VDS傾き
- ro
- roは何で決まるか考察せよ
8. ★Early電圧
シミュレーション: DC sweep
sweep
- VDS: 0.5 → 1.8V
固定条件
- VGS = 1.0V
確認事項
- Id-VDS直線外挿
- Early voltage
9. ★MOS寄生容量
シミュレーション: AC
sweep
- W: 1um → 100um
固定条件 - 出力容量 10fF - VGS = 1.0V - VDS = 1.8V
確認事項
- Cgs
- Cgd
- ゲート電圧によって寄生容量が変わることを確認し、MOSCAP特性をまとめよ
10. ★MOS fT
シミュレーション: AC
sweep
- frequency: 1MHz → 100GHz
確認事項
- unity current gain frequency(fT)
- fTは何を示すか考察せよ
CMOSインバータ
11. CMOS inverter VTC
シミュレーション: DC sweep (Vin)
sweep
- Vin: 0 → 1.8V
固定条件
- VDD = 1.8V
- CL = 10fF
確認事項
- Vout vs Vin
- スイッチング特性
- スイッチング電圧はどう決まるか考察せよ
12. インバータ大信号特性
シミュレーション: Transient
- Input: 1MHz 矩形波
- period = 10ns
- rise/fall = 100ps
確認事項
- 出力時間波形
- 遅延時間
13. Wn/Wp比の影響
シミュレーション: DC sweep
sweep
- Vin: 0 → 1.8V
パラメータ sweep
- Wp/Wn = 1, 2, 3, 4
確認事項
- VTC変化
- VMシフト
14. ★ノイズマージン
シミュレーション: DC
sweep
- Vin: 0 → 1.8V
確認事項
- NMH
- NML
15. インバータ遅延
シミュレーション: Transient
確認事項
- tpHL
- tpLH
16. 負荷容量依存
シミュレーション: Transient
sweep
- CL = 10fF, 100fF, 1pF
入力
- pulse
確認事項
- delay vs CL
- なぜ負荷容量が増えると遅延が増えるか考察せよ
17. 消費電力
シミュレーション: Transient
入力
- pulse
負荷
- CL = 100fF
確認事項
- 平均消費電力
- 動的電力
18. 温度特性
シミュレーション: Transient
sweep
- 条件設定でtemperature: -40°C 27℃ 125°C
確認事項
- delay変化
- 各温度におけるVthを調べよ
19. PVTコーナー
シミュレーション: Transient/Corner simulation
corner
- TT
- SS
- FF
- SF
- FS
確認事項
- delay variation
- 各PVTにおけるVthを調べよ
一段増幅器
20. コモンソース増幅器DC動作
シミュレーション: DC
固定条件
- VDD = 1.8V
- NMOS: W = 10µm
- L = 200nm
- RD = 10kΩ
確認事項
- ドレイン電圧
- ドレイン電流
- MOSの動作領域（飽和 / 線形）
21. 小信号ゲイン
シミュレーション: AC
sweep
- frequency: 1Hz → 1GHz
固定条件
- 入力信号: AC = 1V
確認事項
- 電圧ゲイン Av
- Avの教科書的な定義と比較せよ
22. gm・ro確認
シミュレーション: DC operating point
固定条件
- バイアス点を設定
確認事項
- gm
- ro
- Id
23. 理論ゲイン比較
シミュレーション: AC
sweep
- frequency: 1Hz → 1MHz
固定条件
- 入力 AC = 1V
確認事項
- シミュレーションゲイン
- gm × ro から計算したゲイン
- 両者の差を考察せよ
24. 帯域幅
シミュレーション: AC
sweep
- frequency: 1Hz → 1GHz
固定条件
- 入力 AC = 1V
- Cload = 100fF
確認事項
- 帯域(-3dB bandwidth)
- 帯域はどう決まるか考察せよ
26. 入力振幅依存
シミュレーション: Transient
入力
- sine
- frequency = 1MHz
sweep
- 入力振幅: 10mV, 50mV, 100mV, 200mV
確認事項
- 出力波形
- 非線形歪
- 線形出力スイング範囲は何で決まるか考察せよ
27. 出力スイング
シミュレーション: DC sweep
sweep
- Vin: 0 → 1.8V
固定条件
- RD = 10kΩ
確認事項
- 最大出力電圧
- 最小出力電圧
28. ソースディジェネレーション
シミュレーション: AC
sweep
- frequency: 1Hz → 1GHz
パラメータ sweep
- RS = 0Ω, 100Ω, 500Ω, 1kΩ
確認事項
- 電圧ゲイン
- ゲインの変化はなぜ起こるか考察せよ
29. ノイズ
シミュレーション: NoiseSim
sweep
- frequency: 1Hz → 1000MHz
固定条件
- 入力ノード指定
確認事項
- input referred noise
- 何をするとノイズが改善するか考察・シミュレーションせよ
- ノイズ低減のトレードオフはなにか？
30. 温度依存
シミュレーション: Temperature
確認事項
- シミュレーション温度設定の練習。わからなかったら先輩に聞こう。
- ゲイン変化
- バイアス電流変化
- なぜその変化が起きるか考察せよ
Current mirror
31. 基本電流ミラーの動作確認
シミュレーション: DC
固定条件
- VDD = 1.8V
- IREF = 10µA
- NMOSおよびPMOSの基本電流ミラー
- ミラー比 1:1
確認事項
- IOUT
- IOUT / IREF
- 各MOSの動作領域
考察
- IOUTがIREFと一致しない原因は何か
- 精度を改善するには？
32. 電流ミラー誤差の確認
シミュレーション: DC
sweep
- IREF: 1µA, 5µA, 10µA, 50µA, 100µA
固定条件
- ミラー比 1:1
確認事項
- IOUT
- ミラー誤差 [%]
- 電流値による誤差の変化
- 小電流側と大電流側で誤差が変わる理由は何か
33. ★出力電圧依存性
シミュレーション: DC sweep
sweep
- VOUT: 0 → 1.8V
固定条件
- IREF = 10µA
確認事項
- IOUT vs VOUT
- 電流が一定に保たれる範囲
考察
- なぜVOUTでIOUTが変化するのか
- この変化を小さくするには何をすればよいか
34. 出力抵抗 ro の確認
シミュレーション: DC sweep
sweep
- VOUT: 0.6V → 1.8V
固定条件
- IREF = 10µA
- 飽和領域で評価
確認事項
- IOUT vs VOUT の傾き
- 出力抵抗 ro
考察
- roが大きいことのメリットは何か
- roを大きくするための代表的な方法は何か
35. チャネル長依存性
シミュレーション: DC
パラメータ sweep
- L: 200nm, 300nm, 400nm, 800nm
固定条件
- W一定
- IREF = 10µA
確認事項
- IOUT
- ミラー誤差
- ro
考察
- Lを長くすると何が改善し、何が悪化するか
- トレードオフは何か
36. ミラー比の確認
シミュレーション: DC
パラメータ sweep
- ミラー比: 1:1, 1:2, 1:4, 2:1
固定条件
- IREF = 10µA
確認事項
- IOUT
- 理想比とのずれ
- 面積比と電流比の関係
- 面積比だけで正確に倍率が決まらない理由は何か
37. カスコード電流ミラー
シミュレーション: DC sweep
sweep
- VOUT: 0 → 1.8V
固定条件
- IREF = 10µA
- 基本ミラーとカスコードミラーを比較
確認事項
- IOUT vs VOUT
- ro
- コンプライアンス電圧
- 基本ミラーとの違い
考察
- カスコード化で何が改善するか
- その代わりに何が悪くなるか
38. 温度依存性
シミュレーション: Temperature sweep
sweep
- temperature: -40°C 0℃ 125°C
固定条件
- IREF = 10µA
- ミラー比 1:1
確認事項
- IOUTの温度変化
- ミラー誤差の温度依存
- 各MOSのVGS変化
考察
- なぜ温度で電流が変化するのか
- 温度安定性を良くするには?
39. PVTコーナー解析
シミュレーション: Corner simulation
corner
- TT
- SS
- FF
- SF
- FS
固定条件
- IREF = 10µA
- 必要なら temperature = -40°C, 27°C, 125°C
- VDD = 1.62V, 1.8V, 1.98V
確認事項
- IOUT variation
- ミラー誤差
- 最悪条件での動作
考察
- どのコーナーで誤差が最大になるか
- その条件でなぜ悪化するのか
40. ミスマッチ評価
シミュレーション: Monte Carlo解析
固定条件
- IREF = 10µA
- ミラー比 1:1
- mismatch enable
確認事項
- 1000回モンテカルロでIOUTの分布
- ミラー誤差の分布
- 平均値
- 標準偏差
考察
- ミスマッチ低減には何が有効か確認せよ
差動対の設計と解析
抵抗負荷で基本動作を理解し、PMOSアクティブロードで実際のアナログ回路に近づけ、最後にカスコード化で高利得化を学ぶ流れにした。
41. 抵抗負荷差動対
シミュレーション: DC
固定条件
- NMOS差動対
- 抵抗負荷
- テールNMOSのゲートは定電圧でバイアス
- VCM = 0.9V
- differential input = 0V
- 目標ゲイン: 20dB程度
確認事項
- 各MOSの動作領域
- 出力が電源やGNDに張り付いていないか？
42. 小信号利得
シミュレーション: AC
sweep
- frequency: 1Hz → 1GHz
確認事項
- 低周波ゲイン
- -3dB bandwidth
- differential gainの見方
考察
- ゲインは gm と負荷抵抗のどちらに依存しているか
- 何を変更するとゲインが増加するか
43. 抵抗負荷差動対の大信号特性
シミュレーション: Transient
入力
- differential sine input
- frequency = 1MHz
sweep
- 入力振幅: 10mV, 50mV, 100mV, 200mV
確認事項
- 出力波形
- 線形範囲
- 波形の歪み
考察
- 小信号で成立した利得が大信号で崩れるのはなぜか
- 線形範囲を広げるには？
44. PMOSアクティブロード（ダイオード負荷）
シミュレーション: DC
確認事項
- 各MOSの動作領域
- 抵抗負荷時との動作点の違い
考察
- PMOSアクティブロードの利点はなにか
- アクティブロード化で利得が増える理由は何か？
45. 小信号利得
シミュレーション: AC
sweep
- frequency: 1Hz → 1GHz
考察
- PMOS負荷ではゲインが何で決まるか
- 抵抗負荷と比べて帯域はどう変わるか
46. PMOSアクティブロード差動対の大信号特性
シミュレーション: Transient
入力
- differential sine input
- frequency = 1MHz
sweep
- 入力振幅: 10mV, 50mV, 100mV, 200mV
考察
- PMOSアクティブロード化で大信号特性はどう変わるか
- 出力スイングを制限している素子はどれか
47. カレントミラーでテール電流を作成
シミュレーション: DC / AC
- テール電流源をカレントミラーに置き換える
- IREF=10uA、ITAIL=100uA(例）
確認事項
- 各MOSの動作領域
- 小信号ゲインの変化
考察
- 定電圧バイアスと比べて何が実回路に近づいたか
- カレントミラー化で増える誤差要因は何か
48. スルーレートの解析
シミュレーション: Transient
入力
- differential pulse
- step amplitude = 100mV
- rise/fall = 1ns
- CL = 1pF
確認事項
- 出力立ち上がり波形
- 出力立ち下がり波形
- slew rate
考察
- スルーレートは主に何で決まるか
- ITAILを増やすとどうなるか？
49. ★CMRRの解析
シミュレーション: AC
- 差動入力解析で Ad を取得
- 同相入力解析で Acm を取得
考察
- コモンモード信号が出力に現れる原因は何か
- テール電流源の理想性はCMRRにどう影響するか
50. ノイズ解析
シミュレーション: Noise
確認事項
- input referred noise
- noise density
- 支配的なノイズ源
考察
- 何をするとノイズが改善するかシミュレーションで確認せよ
- ノイズ低減のトレードオフは何か
51. オフセット解析
シミュレーション: Monte Carlo
考察
- オフセットの主要因は何か
- 何をすると改善するか
52. カスコード差動増幅器をまず動かす
シミュレーション: DC / AC
固定条件
- カスコードトランジスタのバイアスは定電圧
- VCM = 0.9V
- differential input = 0V
- 目標ゲイン: 40dB程度
確認事項
- 各MOSが飽和領域で動作しているか
- 各ノード電圧
- 低周波ゲイン
考察
- カスコード化で利得が上がる主因は何か
- ヘッドルームが厳しくなるのはどの素子か
53. カスコードカレントミラーバイアスと特性確認
シミュレーション: DC / AC / Transient
入力
- transientでは differential sine input
- frequency = 1MHz
sweep
- 入力振幅: 10mV, 50mV, 100mV, 200mV
固定条件
- カスコードカレントミラーでカスコード用バイアスを生成
- VCM = 0.9V
- CL = 1pF
考察
- 定電圧バイアスと比べて何が実回路に近くなったか
- 利得向上と帯域・出力スイングのトレードオフは何か
二段オペアンプ設計
54. 二段OPAMPを作成。まずは小信号で40dBを達成する
シミュレーション: DC / AC
固定条件
- 1段目: NMOS差動対 + PMOSアクティブロード
- 2段目: コモンソース増幅器
- 補償容量なし
- differential AC input = 1V
- VCM = 0.9V
- CL = 1pF
確認事項
- 各MOSの動作領域
- 1段目ゲイン
- 2段目ゲイン
55. ミラー補償容量を追加して位相余裕 > 60deg を達成する
シミュレーション: AC
sweep
- Miller補償容量 CC: 0.1pF, 0.2pF, 0.5pF, 1pF, 2pF
確認事項
- UGB
- Phase Margin
- ゲイン線図
- 位相線図
考察
- CC を増やしすぎるデメリットは？
- CC を増やすと UGB はどう変化するか
- 位相余裕 > 60deg を満たす CC はどの程度か
56. DC gain > 60dB を達成する
シミュレーション: DC / AC
ヒント
- 1段目トランジスタの L
- 1段目のバイアス電流
確認事項
- 全体DC gain
- 1段目ゲイン
- 2段目ゲイン
考察
- 60dBを達成するには、1段目と2段目のどちらの改善が効きやすいか
- 利得を増やすと速度や面積にどんな影響があるか
57. UGB 100MHz を達成する
- DCgain: 40dB、UGB 100MHzアンプに改造する
- CL = 1pF
シミュレーション: AC
ヒント
- 2段目バイアス電流
考察
- UGB は主に gm と CC のどちらで決まるか
- UGB 改善のトレードオフは何か
58. 大信号動作とスルーレート
シミュレーション: Transient
入力
- pulse
- step amplitude = 0.2V, 0.5V, 1.0V
- rise/fall = 1ns
- CL = 1pF
確認事項
- slew rate
59. CL = 1pF で SR = 1V/us, 10V/us を達成する
シミュレーション: Transient
入力
- 十分大きい step を与えて slew-rate-limited condition にする
ヒント
- 2段目バイアス電流
考察
- SR 改善の代償として何が悪化するか
チャレンジ内容（追記予定）
ラザビ応用編の内容です。
