全差分CMOS运算放大器的设计

CMOS运算放大器的设计

报告人：

指导老师：

二0一三年十一月

目录

第一章绪论 (4)

1.1设计平台及软件介绍 (4)

1.1.1PSPICE简介 (4)

1.1.2 L-Edit简介 (4)

1.1.3 Cadence OrCAD Capture简介 (4)

1.2 设计方法 (5)

1.2.1CMOS运算放大器设计方法 (5)

1.2.2运算放大器的性能优化 (5)

第二章全差分运算放大器基础 (7)

2.1 MOS器件基本特性 (8)

2.1.1 MOSFET的结构和大信号特性 (8)

2.1.2 MOSFET的小信号模型 (9)

2.2运算放大器概述 (10)

2.3全差分运算放大器特点 (11)

第三章CMOS模拟运放设计 (13)

3.1设计目标 (13)

3.2电路结构分析 (13)

3.3.1 输入级设计 (15)

3.3.2电流镜电路 (15)

3.3.3偏置电路 (16)

3.3.4 输出级 (17)

3.3.5 整体电路 (17)

第四章运放参数的模拟与测量 (19)

4.1瞬态分析 (19)

4.2 温度特性 (20)

4.3输出阻抗 (21)

4.4交流特性分析 (22)

5.1版图设计基础 (23)

5.1.1设计流程 (23)

5.1.2 L-edit中的版图设计 (24)

5.2 版图设计 (25)

5.3版图参数的提取并仿真 (26)

5.3.1版图参数的提取和修改 (26)

5.3.2电路仿真 (26)

第六章总结 (28)

【参考资料】 (29)

附录： (30)

一、Pspice仿真代码： (30)

1、原理层次仿真代码（偏置电压由直流电压直接替代） (30)

2、MOS分压电路中MOS宽长比确定电路 (32)

3、最终Pspice仿真代码 (32)

二、版图生成代码 (34)

三、版图修改代码 (37)

第一章绪论

1.1设计平台及软件介绍

1.1.1 PSPICE简介

PSPICE是由SPICE（Simulation Program with Intergrated Circuit Emphasis）发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序。于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。

PSPICE仿真软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成图表，模拟和计算电路。它的用途非常广泛，不仅可以用于电路分析和优化设计，还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。与印制版设计软件配合使用，还可实现电子设计自动化。被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件，具有广阔的应用前景。

1.1.2 L-Edit简介

L-Edit是专用集成电路设计软件TannerTools中的主要版图设计软件，是一个用来制造集成电路掩膜的版图设计工具。L-Edit中的层与掩膜生产过程相关联，不同的层能被方便地显示为不同的颜色和样式，并且每层间相互独立。L-Edit 以文件、单元、简单的掩膜的形式描述版图设计。其最大的特点是速度快、功能强、使用方便和分层设计。

1.1.3 Cadence OrCAD Capture简介

Cadence、OrCAD、Capture 是线路图输入系统，具有快捷、通用的设计输入能力，针对设计一个新的模拟电路、修改现有的一个 PCB 的线路图、或者绘制一个 HDL 模块的方框图，都提供了所需要的全部功能。它运行在 PC 平台，用于 FPGA 、 PCB 和Cadence、OrCAD、PSpice设计应用中，它是业界第一个真正基于 Windows 环境的线路图输入程序，易于使用的功能及特点已使其成为线路图输入的工业标准。

1.2 设计方法

1.2.1CMOS运算放大器设计方法

CMOS运算放大器的设计通常包括结构设计和器件设计两个状态。首先，寻找可行的结构，如果选择的结构不符合要求，则需要修改结构或重新设计。一旦符合条件，接着进行器件设计，确定直流工作点、器件尺寸和偏置网络，必须仔细计算器件的尺寸以满足运放的交、直流要求。为了满足所有的设计指标，这两个设计步骤需要重复的进行。下图给出了运算放大器的设计流程：

图1.1：模拟运算放大器设计流程

1.2.2运算放大器的性能优化

“理想”运放具有以下的特性：无限大的输入阻抗和输出电流；无限大的转换速率和开环增益；无噪声、失调、功耗浪费和信号失真；无负载、频率和电源电压的限制。事实上，没有运放能达到以上所有的特性。在实际的设计中，运放参数中的大多数都会互相牵制，这将导致设计变成一个多维优化的问题。如下图“模拟电路设计八边形法则”所示，这样的折衷选择、互相制约对高性能放大器的设计提出了许多难题，要靠理论和经验才能得到一个较佳的折衷方案。

图1.2：模拟电路设计八边形法则

第二章全差分运算放大器基础本章主要介绍MOS器件的一些特性，以及运算放大器的相关内容。

2.1 MOS 器件基本特性

2.1.1 MOSFET 的结构和大信号特性

下面为N 沟道增强型MOS 管的剖面图及其输出特性曲线。

图2.1：强反型时增强型NMOS 管的剖面图

图2.2：NMOS 管的i-u 特性

CMOS 管的强反型区：

当MOS 器件的栅源电压大于阈值电压时，称之为强反型状态。当

TH GS DS u u u ->时，器件饱和区，这里的DS u ，GS u 与TH u 分别指MOS