基于Spectre运算放大器的设计讲解
毕业设计CMOS运算放大器版图设计
摘要集成电路掩膜版图设计是实现电路制造所必不可少的设计环节，它不仅关系到集成电路的功能是不是正确，而且也会极大程度地阻碍集成电路的性能、本钱与功耗。
本文依据大体CMOS集成运算放大电路的设计指标及电路特点，绘制了大体电路图，通过Spectre进行仿真分析，得出性能指标与格元器件参数之间的关系，据此设计出各元件的版图几何尺寸和工艺参数，成立出从性能指标到版图设计的优化途径。
运算放大器的版图设计，是模拟集成电路版图设计的典型，利用Spectre对设计初稿加以模拟，然后对不符合设计目标的参数加以修改，重复这一进程，最终取得优化设计方案。
最后依照参数尺寸等完成了放大器的版图设计和版图的DRC、LVS验证。
关键词：集成电路，运算放大器，版图设计，仿真ABSTRACTIntegrated circuit layout design is an essential design part to realize circuit mask manufacturing, it is not only related to the integrated circuit to function correctly, but also can greatly affect the performance of the integrated circuit, the cost and the power consumption.Based on the basic CMOS integrated operational amplifier circuit characteristic and design target, we have rendered the basic circuit diagram, and simulation by Spectre, the simulated results are derived parameters and their relationship between determining factors, thereby defining a line with the design target domain size and processing parameters, finally we builded an optimization from the performance index to layout design .Operational amplifier IC layout design, is the design model of analog integrated circuit layout . Here we used Spectre to design draft which should be simulated, then modified which do not comply with the design goals of the parameters , repeat the process, and finally get the optimization design scheme. Finally, according to the parameters such as size finished the amplifier layout design and the DRC, LVS verification.KET WORDS: Integrated circuit, Operational amplifier, layout design, Simulation毕业设计（论文）原创性声明和利用授权说明原创性声明本人郑重许诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的功效。
一种高带宽Pingpong自调零运算放大器
Applications 创新应用集成电路应用 第 36 卷 第 4 期（总第 307 期）2019 年 4 月 411 引言本文基于传统的多级运放结构，采用 Ping-pong 自调零技术降低了运放中的失调电压以及低频噪声。
不同于斩波技术对带宽的限制，采用 Ping-pong 结构与自调零技术结合的方式使得运放相比于传统运放在高精度下拥有大带宽的优势。
2 电路设计与分析2.1 Ping-pong 自调零电路的结构设计自调零电路的采用可以有效降低电路中的低频噪声以及失调电压，其电路结构如图 1 所示。
工作状态由开关 S1，S2，S3，S4 控制。
当 S1，S3 断开 S2，S4 闭合时，电路进入调零阶段，此时由于输入接地，G 1 的输出为电路噪声以及失调电压，并对 C 1 进行充能，使其存储噪声以及失调电压。
其传输函数公式表达如式（1）。
G c ＝V 1G 1R out ＋（V 2－V c ）G 2R out （1）充能结束后 S1，S3 闭合 S2，S4 断开，电路进入放大阶段[1]。
此时输入信号经过 G 1 进行放大，而 G 2 以及 C 1 则通过反馈储存的失调电压以及噪声信号至输出端从而抵消电路中的失调电压以及部分低频噪声。
其传输函数公式表达如式（2）。
V out ＝（V 1－V in ）G 1R out －V c G 2R out （2）上述可知，自调零电路通过半周期工作，半周期调零的方式有效降低了电路的失调电压以及低频噪声问题，其缺点在于工作模式使其只能工作于非连续系统当中。
故而需要结合 Ping-pong 结构使其能够应用于连续时间系统之中[2]。
即两条相同的支路并联各自工作半个周期以组成一个完整周期。
2.2 多级密勒补偿为了满足运放的相位裕度，防止其环路增益相移过大造成正反馈以致工作时震荡，所以多级运放一般采用多级密勒补偿技术也称巢式密勒补偿技术以确保电路工作时的稳定[3]。
其原理为多级运放电路的传输函数可以写为如式（3）。
运算放大器外部特性和含有运算放大器电路的分析基础知识讲解
Go GL ) ui
uo
un2
G1 Gf
Gf ( AGO
Gf ( AGO Gf ) Gf ) (G1 Gi Gf ) (Gf
Go GL ) ui
uo
G1 Gf
ui
Rf R1
ui
由理想运放构成的反相比例器：
i2 Rf
i1 R1 i- _
+ ui_
u-
+
u+ +
+ RL uo
_
“虚短”： u+ = u- =0， i1= uS/R1 i2= -uo /Rf
应用：在电路中起隔离前后两级电路的作用。
例
R1
+
+
u_1
R2
RL
u2
_
u2
R2 R1 R2
u1
R1
+
ui _
R2
_
+ +
+ RL _u2
u2
R2 R1 R2
u1
可见，加入跟随器后，隔离了前后两级电路的相互影响。
5. 积分器
iC C
iR R
i- _
+
u-
+
u_i
+
+ u_o
u-=0 i-=0
1. 反相比例器
Rf
R1 _ A
+ u_i
1
+
+
2
+
RL
uo _
Rf R1 1
+ ui_
Ri
+_u1ARu+1o_
2
+ RL uo
2.Spectre电路特性仿真
并 配 备相 应 的人 员 对 财 务 风 险进 行 预 测 、 析 、 控 ， 便 及 时 发 现 分 监 以 及化解风险， 建立 健 全 风 险 控 制 机 制 。另 外 ， 理 结 构 和 内控 制 度 治 弱 化 本 身就 是 高 风 险 的表 现 ， 因此 ， 首先 要 完 善 公 司治 理 结 构 ， 高 提
机 构 或 部 门 。 将 财 务 风 险 部 分 或 全 部 转 移 给 他 人 承 担 避 免 了 企 业 独 家 承担 风 险 损 失 而 产 生 的 财 务 风 险 。
险 、 高 效益就 显得具 有十 分重要 的 意义 。 提 【 键 词 】 业 ； 务 风 险 ； 范 关 企 财 防
而 蒙 受 损失 的 可 能性 。它 从 企 业 理 财 活 动 的 全 过 程 和 财 务 的整 体 概 念 透 视 财 务本 质来 界 定 财 务 风 险 的 。在 市 场 经 理 和 内部 审计 。再 次 是 财 务 和会 计 应 该 分 设 ， 单位 分 管 领 导 分 开 ， 别 设 置 管 理 中 心 ， 行 其 责 。 最 后 要 充 分 发 分 各 挥 内部 审 计 机 构 和人 员 的作 用 ， 好 内 部控 制 的评 审 和风 险估 计 。 搞
是 指企 业 由于举 债而 给 企业 财 务 成 果 带来 的不 确 定 性 。它 存 在 于 负 债 经营 的企业 ， 没有 负 债 ， 企业 经 营 的全部 资 本 南投 资 者 投 入 ， 不存 则 在 财务 风险 。举债 筹资 一 方 面 为满 足 投 资 需 要 、 大 规模 、 高 收益 扩 提 创 造 了前提 条件 ； 一方 面 也增 加 了按期 还本 付息 的筹 资 负担 。 另
低噪声低功耗斩波运放的分析与设计
低噪声低功耗斩波运放的分析与设计李威;张兆浩;吴次南【摘要】CMOS运放的噪声尤其是低频1/f噪声会随着整体功耗的降低而急剧增加,针对传感器读出电路应用,文中在传统斩波运放的基础上设计了一个低噪声、低功耗的嵌套式斩波运算放大器.基于SMIC0.18μm工艺,通过Spectre仿真工具进行仿真与验证.高频斩波fchop,high)频率为500 kHz,低频斩波频率fchop,low)为2 kHz时的仿真结果表明,运放在100 Hz处的噪声功率谱密度(Power Spectral Density,PSD)降为23 nV √Hz,总消耗电流14 μA,放大器的增益带宽积(GBw)为16.7 MHz,运放的电流效率(GBW/Itot)达到了1 193,该设计的整体性能与以往的设计相比具有一定优势.【期刊名称】《电子科技》【年(卷),期】2016(029)005【总页数】4页(P26-29)【关键词】嵌套式斩波;低噪声;低功耗;残余失调;放大器【作者】李威;张兆浩;吴次南【作者单位】贵州大学大数据与信息工程学院,贵州贵阳550025;贵州大学大数据与信息工程学院,贵州贵阳550025;贵州大学大数据与信息工程学院,贵州贵阳550025【正文语种】中文【中图分类】TN72220世纪90年代以来互联网改变了世界,进入新世纪,学术界开始思考互联网的未来,于是便出现了“物联网”(Internet of Things,IOT)概念[1]。
在物联网中,传感器是物质世界和互联网的接口,是物联网的重要组成部分,所以物联网在最初也称为“传感网”。
随着传感器技术的发展,尤其是微机电系统(Microelectromechanical Systems,MEMS)的发展,物联网同时也获得了更广阔的发展空间。
传感器接口电路是物联网概念中一项重要的研究内容。
一方面,若要长时间大规模地使用传感器网络,传感器接口电路必须有较低的功耗或有稳定的能量来源。
电路中的运算放大器设计与运算放大器技术
电路中的运算放大器设计与运算放大器技术电路中的运算放大器是一种应用广泛的电子设备，能够将输入信号放大并输出。
运算放大器的设计和技术在现代电子领域中起到了至关重要的作用。
在本文中，我们将探讨电路中的运算放大器设计及其技术细节。
首先，让我们来了解一下运算放大器的基本原理。
运算放大器是一种差模放大器，具有高增益、高输入阻抗和低输出阻抗的特点。
它由多个晶体管和电阻器组成，能够将微弱的输入信号放大到较高的幅度。
运算放大器通常有一个非反相输入端和一个反相输入端，以及一个输出端。
在运算放大器的设计中，有几个关键的技术要点需要考虑。
首先是电源电压的选取。
电源电压的选择需要根据具体的应用场景和性能要求来确定。
较高的电源电压能够提供更高的增益，但也会增加功耗和散热的困难。
因此，在设计过程中需要综合考虑功耗、散热和性能之间的平衡。
其次，输入和输出电阻的匹配也是一个重要的设计考虑因素。
输入电阻越大，可以在电路中引入更小的干扰，从而提高信号的纯净度。
而输出电阻越小，可以更好地驱动后级负载，减小信号失真。
因此，设计中需要采用合适的电阻器来实现输入和输出电阻的匹配。
还有一个重要的设计技术是运算放大器的频率响应。
在实际应用中，运算放大器需要能够处理不同频率范围内的信号。
频率响应的设计包括选择合适的电容和电感来滤除高频和低频的干扰。
同时，设备还需要具备高增益的特性，以保证信号放大的一致性。
另外，运算放大器的负反馈技术也是电路设计中的重要一环。
通过负反馈技术，可以有效地控制放大器的增益和输出功率，提高电路的稳定性，并且减少非线性失真。
负反馈技术的运用需要合理选择反馈电阻和电容，以及设计合适的反馈网络。
除了以上几个关键技术点，电路中的运算放大器设计还需要考虑功耗、温度特性、尺寸和成本等方面的因素。
功耗的控制可以通过合理布局和选取低功耗元件来实现。
温度特性的设计需要选择合适的元件以保证仪器在不同温度下的可靠性。
对于尺寸和成本的考虑，需要根据实际需求选择合适的封装和材料。
Spectre仿真器在集成电路设计的应用
无论是手工设计还是数值模拟，电路设计的目标都是确定上述参数。这样，在复杂的电路系统 中，运算放大器单元就可以使是用于 Spectre 仿真分析的、经典结构的运算放大器。其中晶体管 M8 和 M9 构 成电流参考源，它用于偏置放大电路。其他电路包括：由 M1 和 M2 组成的差分输入级，有源 负载（M3 和 M4），电流源（M7）和反向输出级（M6，由 M5 提供电流源）和一个密勒效应
Spectre是一个非常重要的、不是直接由SPICE继承而来的电路仿真工具。经过多年作为 cdsSpice（Cadence公司早期的SPICE类仿真工具）仿真工具以外选项之后，Spectre已经完全被 集成到Cadence的AMS设计环境之中，并作为仿真环境下标准的模拟电路仿真工具。它能够提供 SPICE仿真具有的直流（DC），小信号交流（AC）、瞬态（TRAN）标准分析功能，也能提供基 于工艺参数的灵敏度（sensitivity）和蒙特卡洛（Monte Carlo）分析，基于电路拓扑（无源元件 参数）的分析，以及其他重要的电路分析功能。
表 3 参数提取-仿真电路配置关系
参数
配置
分析功能
IR
Open Loop
OR
Vcom = 2.5V DC sweep of Vdiff
CMR
VTC Vout vs Vdiff
Follower
Voff
Follower
DC sweep of Vin VTC Vout vs Vin
Vin = 2.5V
Monte Carlo of Operating Point
运算放大器设计.ppt
40~8 仪表放 3.05
5
大器
8PDIP 精密,
0
50
0.5
12 0
5
8
9
0. 7
4. 5
36
/40~8
低功耗 USD 仪表放 4.95
5
大器
0.0 02
50+ 500/ G
5+2 0/G
12 0
5
8
9
PDIP- 精密低
0. ± ±2. 8/-
功耗仪 USD
7 18 25
40~8 表放大 3.05
7、低噪声运放电路 噪声模型
手册已知OP的宽带噪声输入电压密度 ER R/8(nV/ Hz)
输入电流噪声密度
En(nV/ Hz)
给定电阻阻值。
计算按照上述方式的噪声电压
计算方法：1)找到EN
ENT ENEI ER 222
2）计算噪声电流在电阻上的 噪声电压EI=INxR
3)计算电阻热噪声 E n
4 .2 n V /
Hz
1K R1 // R 2
1n V / 4nV
Hz
/
Hz
VOUT
E NT G N
1 3
V RM S
BW
4 .2 1 0 1
1000 H z
No Image
PDIP8/40~8 5
单电源, 微功耗, 仪表运 算放大 器
USD 2.10
0.0 02
250
3
83 25
பைடு நூலகம்
35
160
0. ± ±1. 18 18 35
PDIP8/40~8 5
微功耗 仪表放 大器
USD 1.40
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《集成电路CAD》课程设计报告课题：基于Spectre运算放大器的设计一：课程设计目标及任务利用Cadence软件设计使用差分放大器，设计其原理图，并画出其版图，模拟器各项性能指标，修改宽长比，使其最优化。
二：运算放大器概况运算放大器（operational amplifier），简称运放（OPA），如图1.1所示：图1.1运放示意图运算放大器最早被设计出来的目的是将电压类比成数字，用来进行加、减、乘、除的运算，同时也成为实现模拟计算机的基本建构方块。
然而，理想运算放大器的在电路系统设计上的用途却远远超过加减乘除的计算。
今日的运算放大器，无论是使用晶体管或真空管、分立式元件或集成电路元件，运算放大器的效能都已经接近理想运算放大器的要求。
早期的运算放大器是使用真空管设计的，现在多半是集成电路式的元件。
但是如果系统对于放大器的需求超出集成电路放大器的需求时，常常会利用分立式元件来实现这些特殊规格的运算放大器。
三：原理图的绘制及仿真3.1原理图的绘制首先在Cadence电路编辑器界面绘制原理图如下：图3.1电路原理图原理图中MOS管的参数如下表：Instance name Model W/m L/m Multiplier Library Cell name View name M1 nmosl 800n 500n 1 Gpdk180 nmos symbolM2 nmosl 800n 500n 1 Gpdk180 nmos symbolM3 pmosl 1.1u 550n 1 Gpdk180 pmos symbolM4 pmosl 1.1u 550n 1 Gpdk180 pmos symbolM5 nmosl 800n 500n 1 Gpdk180 nmos symbolM6 nmosl 800n 500n 1 Gpdk180 nmos symbol 另：图中所使用的电压源为5v3.2运算放大器的增益仿真首先绘制测试电路原理图如下：图3.2.1运算放大器增益仿真电路图图中包含运算放大器电路和偏置电路两部分。
偏置电路为运算放大器提供电源电压（VDD）、共模电压（Vcm）以及偏置电流（Ibias），从而确定运算放大器的直流工作点。
输入电压加在运算放大器的两个输入端之间，大小设置为1V的交流信号，从而使得输出电压的大小与增益一致，从而减少了设计步骤。
在ADE窗口选择交流仿真，扫描变量为频率，扫描范围为0.1Hz~1GHz。
完成设置后进行仿真。
因为输入交流电压是1V，因此输出端“V out”的电压值等于运算放大器的增益。
为了观察幅频特性，需要计算输出端电压的幅值。
通过“Mag”，对“V out”进行取幅值的预处理，然后就可以将处理好的仿真结果输出到“Waveform”中观察。
得到如下图：图3.2.2增益的幅频特性对于运算放大器的幅频特性，除了直接显示幅值以外，更一般的是显示增益幅值的dB曲线，即对幅值作“20log(n)”变化，得到如下图所示：图3.2.3增益幅值的dB曲线对于运算放大器的相频特性，在“Results Browser”中选择“phase”函数对交流仿真结果进行预处理后输出得到。
并通过“Append”命令，将相频特性添加到原有的幅频特性中，如图所示：图3.2.4红色代表“幅频”，蓝色代表“相频”3.3运算放大器的带宽仿真这里说的带宽，主要是指运算放大器的小信号带宽。
常用的义有两个：3dB带宽和单位增益带宽。
仿真原理图如下：图3.3.1带宽仿真电路图3.3.1 3dB带宽定义：Av(w0)=20lgAv(0)-3dB首先观察增益的幅频特性曲线，并根据3dB带宽的定义测量得到3dB的带宽。
在“Waveform”窗口中，将光标移到增益幅频曲线的低频部分，点击快捷键“m”，在曲线上添加标签，给出标记点的横坐标和纵坐标（1.1118Hz，37.24dB）。
接着点击快捷键“V”，将光标切换成竖直光标类型，即光标变成一条垂直的直线，并且直线上方有一个红色的倒三角，通过拖动该三角，可以移动垂直光标。
如图3.3.2所示，垂直光标和运算放大器增益幅频曲线的交点的坐标（7.8915MHz，34.27dB）在波形的左上角给出，并随着垂直光标的左右移动实时改变。
当增益为34.27dB时，输入信号的频率为7.8915MHz，因此可以近似认为3dB带宽为7.8915MHz。
图3.3.2增益的幅频特性曲线精确获得3dB带宽的方法是使用“Calculator”软件中“bandwidth”函数。
在“Results Browser”中的“ac-ac”中选择“V out”仿真结果。
右键选择“Calculator”。
仿真结果被输送到“Calculator”中，选择“bandwidth”函数。
输入参数点击“OK”完成“bandwidth”的设置，点击“Eval”键，将在“Calculator”缓存窗口中显示计算的运算放大器的3dB带宽。
如下图所示：图3.3.3 3dB带宽从图3.3.3中科院看出该运算放大器的3dB带宽为8.256MHz。
3.3.2 单位增益带宽和3dB带宽一样，运算放大器的单位增益带宽也可以用“Calculator”中的“cross”函数计算，该函数是专门用来计算曲线经过一个特定阈值的横坐标。
对于计算单位增益带宽，只需要对运放的增益曲线使用“cross”，并将阈值设为“1”，函数返回的值即是运放的单位增益带宽。
设置好“cross”函数的参数后点击“Eval”的到：图3.3.4单位增益带宽从图 3.3.4可以看出该运算放大器的单位增益带宽约为556.4MHz。
3.4运算放大器的建立时间建立时间（settling time）是衡量运放反应速度的另一项重要指标，它表示从跳变开始到输出稳定的时间。
它主要是针对运算放大器的小信号特性，在跳变过程中，运放还保持线性。
在实际电路设置中，可以通过“Calculator”中的“settling time”函数来测量运算放大器的建立时间。
首先将运放连接成单位增益负反馈的形式，即将运算放大器的反相输入端和输出端短接，从而使得负反馈系统的闭环增益为1，即输入电压跟随加载在运算放大器同相端的输入信号。
在运算放大器的同相载一个幅度为2mV的阶跃信号，如下图所示：图3.4.1建立时间仿真电路图差分输入的阶跃信号电压源使用一个脉冲电压源来模拟。
该脉冲电压源可以在“analogLib”库中找到，其名为“vpulse”。
脉冲的低电平为0V，高电平为2mV，跳变延迟为10ns，上升和下降沿宽度为10ps，脉冲宽度为1s。
因此当瞬态仿真时间小于1s时，都可以将该脉冲电压看作10ns处跳变的阶跃电压。
因为建立时间是运算放大器在时域对输入信号响应的一个性能参数，因此为了对此进行仿真测量，需要进行瞬态仿真。
在ADE窗口中选择“tran”，结束时间设为“200ns”，仿真精度设为“conservative”，将“V out”作为输出端，开始仿真。
得到如下图：图3.4.2建立时间瞬态仿真在“Calculator”中保持“Select Mode”处于选择状态，在选择模式中选择“tran”里的“vt”项，点击电路图中的“V out”，将“V out”端的瞬态电压仿真结果捕获到“Calculator”中，设置好参数后点击“Eval”得到计算结果如下：图3.4.3建立时间计算结果从图中可以看出该运算放大器的建立时间为17.5ns。
3.5 运算放大器的相位裕度仿真图3.5.1 相位裕度仿真电路图相位裕度（phase margin,PM）是电路设计中很重要的一项指标，主要用来表示负反馈系统的稳定性，同时可以用来预测闭环系统阶跃响应的过程。
相位裕度的定义为：运算放大器增益的相位在增益交点频率时，与-180°相位的差值，表达式为：PM=∠Av（wl）-(-180°)=∠Av（wl）+180°，式中wl为运算放大器的增益交点频率（使增益幅值等于1的频率点为“增益交点”）。
利用“Calculator”的“phase-Margin”函数获得运算放大器的相为裕度如下图所示：图3.5.2相位裕度从图中可以看出该运算放大器的相位裕度为65.33°。
3.6 运算放大器的转换速率仿真图3.6.1转换速率仿真电路图进行瞬态仿真后，输出电压的时域响应如下图所示：图3.6.2 输出电压的时域响应从上图中可以看出，输出电压“V out”在跳变之后的一段时间内并没有按指数规律变化，而是表现出具有不变斜率的线性斜率。
这就是负反馈电路中使用的运算放大器表现出的所谓“转换”的大信号特性，图中输出响应中的“斜坡”部分的斜率称为“转换速率”。
通过使用“Calculator”中的“slew Rate”函数根据瞬态仿真结果计算运放的转换速率。
得到结果如下：图3.6.3 转换速率从图中可以看出该运算放大器的转换速率约为0.4729V/us。
3.7 运算放大器的共模抑制比仿真差动放大器的一个重要特性就是其对共模扰动影响的抑制能力（CMRR）仿真电路图如下：图3.7.1 CMRR仿真电路图再次进行交流仿真，得到输出端“V out”的增益曲线，即为运算放大器CMRR的倒数的幅频特性曲线，这里为了方便观察，采用了dB作为纵轴单位。
如下图所示：图3.7.2CMRR倒数的幅频特性曲线为了观察运算放大器CMRR 的幅频特性曲线，可以使用“Calculator ”中的“1/X ”函数，对仿真结果取倒数。
如下图所示：图3.7.3CMRR 的幅频特性曲线（蓝色曲线）3.8运算放大器电源电压抑制比仿真因为在实际使用的电源也含有噪声，为了有效抑制电源噪声对输出信号的影响，需要了解电源上的噪声是如何体现在运算放大器输出端的。
把运算放大器输入到输出增益除以电源到输出的增益定义为运算放大器的电源抑制比（Power supply rejection ratio,PSRR ），所以电源抑制比可以写为：/0=/V 0V dd DD in A V PSRR A == 式中的Vdd=0和Vin=0是指电压源和输入电压的交流小信号为零，而不是指它们的直流电平。
仿真电路图如下：图3.8.1 PSRR仿真电路图再次进行交流仿真，得到输出端“V out”的增益曲线，即为PSRR 的倒数的幅频特性曲线。
如下图所示：3.8.2 PSRR倒数的幅频特性曲线使用“Calculator”中的“1/X”函数，对仿真结果取倒数。
如下图所示：图3.8.3 PSRR的幅频特性曲线（蓝色曲线）由于电路仿真时，认为MOS管都是完全一致的，没有考虑制造时MOS管的失配情况，因此仿真得到的PSRR都要比实际测量时好，因此在设计的时候需要留有余量。
四：运算放大器的版图布局4.1 版图设计这次我们的版图设计采用的是对管的形式，即对角线为一个管子，采用并联的形式将两个管子并联起来作为一个管子。