(完整word)全差分高增益、宽带宽CMOS运算跨导放大器的设计.doc

目 录1 引言 12 软件介绍 33 运算放大器设计基础 53.1运放的主要性能指标 53.2运算放大器的基本结构 63.2.1全差分运放 63.2.2套筒式结构 73.2.3折叠式结构 84 系统总体设计 104.1电路设计的整体结构 104.2 主放大电路设计 114.3 偏置电路的设计 134.4 输出级的设计 134.5 共模反馈的设计 144.6 总体布局 155 仿真与分析 175.1运放直流与交流特性 175.2噪声特性分析 19 5.3电源抑制比 195.4设计指标 205.5放大器参数 216 版图设计与分析 226.1 L-Edit介绍 226.2版图设计规则 226.3基本器件版图设计 236.3.1 NMOS版图设计 236.3.2 电容电阻版图设计 246.4版图的总体设计 266.4.1主电路模块版图 266.4.2偏置模块版图 276.4.3输出模块版图 276.4.4整体模块版图 286.5 LVS版图比对 297 结论 31谢 辞 32参考文献 33附录1 34附录2 361 引言集成运算放大器（Integrated Operational Amplifier）简称集成运放，是由多个CMOS管与电容电阻通过耦合方式实现提高增益的模拟集成电路[1]。

集成运放具有增益高、输入阻抗大、输出阻抗低、共模抑制比高和失调与漂移性小等优点，而且当输入电压值为零时，输出值也为零集成运放是构成常用集成电路系统的通用模块[2] [3]自从1964年美国仙童公司研制出第一个单片集成运算放大器μA702以来，集成运算放大器得到了广泛的应用目前集成运放已成为集成电路中品种和数量最多的一类[4]其发展速度相当之快其发展先后经历了小规模IC(Integrated Circuit)，中规模IC，大规模IC，超大规模IC和特大规模IC五个不同的阶段随着运放种类的增多，集成电路的制造工艺也发展到了一个全新的阶段基本的制造工艺有以下几种：单晶硅和多晶硅、氧化工艺、掺杂工艺、掩膜的制版工艺、光刻工艺和金属化工艺等[5]目前的半导体集成电路产品种类日益丰富，电子科学技术的应用已经渗入到社会生活的各个领域，很大程度上影响和改善着人们的生活[6]人们对性能的要求也越来越高，譬如A/D及D/A转换器、有源滤波器、锁相环电路、模拟乘法器和精密比较器等电路中均需要采用高增益宽宽带的集成运算放大器同时随着多媒体和通讯技术的迅猛发展，高增益宽带运算放大器在蓝牙技术、高精密测量仪器、图像放大器、信号处理系统和音频功放系统等方面的应用越来越广泛。

由于运放的性能直接影响着整个电路的动态范围和高频领域的应用，因此研制具有良好性能的高增益宽带集成运放对满足低功耗、宽频带等通信技术及其它高速模拟信号处理应用有重要的实用价值[7]这些都对设计和生产带来了很大的压力和动力，也是一个很迫切需要解决的问题随着集成运放种类和数量的日益增多，集成电路的制造工艺也得到了较快地发展制造集成电路的主要工艺分为两种：双极型集成运放和CMOS集成运放双极型集成运放技术发展的时间较长，到目前为止技术相对较为成熟，应用也比较广泛，具有较快的速度和较高的增益，但是这种电路结构在功耗和带宽方面的性能就不尽如人意[8]随着CMOS集成电路技术的不断发展与进步，设计者开始尝试利用CMOS技术来设计高性能的集成运放，尤其是一些高精尖的精密仪器设备CMOS运放电路在开环增益、失调电压、速度等方面得性能与双极性晶体管相比稍微差一点，但是CMOS运放电路具有十分大的输入电压范围和输出摆幅，并且在输入阻抗和静态功耗等方面有着巨大的优越性不仅如此，CMOS集成运放所占用的芯片面积连普通双极性集成运放电路的一半都不到因此，CMOS集成运放在现代集成电路设计中占有的比重越来越大[9] [10]。

目前常见的集成运放有三种结构：简单的全差分结构、套筒式共源共栅结构和折叠共源共栅结构等第一种简单的全差分结构优点是输出范围较大，缺点是幅频特性较差，直流增益较小，精度不高，功耗较大，电源抑制比和共模抑制比差，因此设计者一般不采用这种方法来设计精度较高的电路第二种套筒式共源共栅结构优点是具有很宽的带宽，运算速度很快，增益也很高，电路噪声和功耗都很低，缺点是电路的输出信号范围很小，并且共模输入范围也较窄，因此这种方法目前部分设计者采用第三种折叠共源共栅结构优点是电路输出信号范围较大，由于输入信号和输出信号可以短接因而共模电平很容易确定，缺点是牺牲了电路的功耗和噪声等特性，因此这种电路目前也有很多设计者采用[11]综合以上三种集成运放结构性能的优劣以及各种性能之间的折衷，本设计输入级选择折叠式共源共栅结构，因为它具有最快的速度和最大的增益，但单级折叠式结构虽然具有较高的增益但是还是不能完全满足设计要求，该结构输出摆幅较大，在考虑到继续进行放大的同时具有较好的输出摆幅和频率特性，因此将以共源级作为输出级与单级结构相比，两级结构将会增大功耗，降低速度，需要提出或采取相应措施解决这些问题[12]本文提出了全差分、高增益和宽带宽的CMOS运算跨导放大器的设计。

第一部分引言主要介绍了运算放大器的发展历程以及发展现状，国内对运算放大器的研究成果，以及运算放大器的未来的发展方向；第二部分介绍了设计集成运放所需要的软件Tanner软件和第三部分主要介绍集成运放的各种设计性能指标以及各种集成运放电路结构优劣的对比以及设计结构的选取；第四部分提出了折叠式共源共栅运算放大电路总体设计方案以及电路模块化设计；第五部分在0.13umCMOS工艺下采用T-Spice软件对全差分运算放大器电路进行了直流增益、单位增益带宽、相位裕量、增益裕量、电源抑制比等电路参数进行了仿真与模拟分析；第六部分为版图设计的具体介绍，其中包括相关的设计规则，把简单的器件进行了详细的版图的设计；最后一部分为设计总结以及未来改进的方向2 软件介绍本设计中集成运放的设计采用0.13um CMOS 工艺，设计采用Tanner EDA集成电路设计软件完成电路结构设计仿真、版图设计和LVS比对Tanner EDA集成电路设计软件是由美国加州Tanner Research 公司开发的集成电路设计工具，该工具基于Windows平台，功能十分强大，很容易学习Tanner EDA设计软件共包括五部分，分别为：S-Edit，T-Spice，W-Edit，L-Edit和LVS，从电路设计、分析模拟到电路布局一应俱全。

其中应用最广泛的是L-Edit版图设计软件，该软件在国内的版图设计软件中具有很大的优势，也是设计者们争相追逐的简单易用版图设计软件之一Tanner EDA中的各软件的主要功能如表2-1 所示表2-1 Tanner各软件主要功能软件 功能S-Edit编辑电路图T-Spice电路分析与模拟W-Edit显示T-Spice模拟结果L-Edit编辑布局图、自动配置与绕线、设计规则检查、截面观察、电路转换LVS电路图与布局图结果对比Tanner EDA的设计流程可以用图2-1来表示具体设计流程大概为：首先，根据设计需要把搭建电路模块，模块搭建是在S –Edit中 编辑出来的搭建完成之后根据已知公式与参数进行宽长比的修改，进行电路的性能优化，电路修改完毕之后将该电路图输出成SPICE文件接下来用到了仿真模拟软件T-Spice，利用T-Spice输入相应命令，对电路图模拟并输出成SPICE文件，如果模拟结果有错误，回到S-Edit 检查电路图，如果T-Spice 模拟结果无误，则开始利用L-Edit 对电路进行版图的设计用L-Edit 进行整体版图布局与连接，在版图设计中要使用DRC 功能做设计规则的检查，如果设计违反规则，说明版图设计中存在错误，需要返回L-Edit进行修改直到设计规则检查没有错误为止。

然后将通过验证的版图转化成SPICE文件，再利用T-Spice模拟，模拟过程中如果存在错误，还需要对版图进行修改，知道输出结果和电路原理图仿真结果一样之后才算完成最后利用LVS将电路图输出的SPICE文件与版图转化的SPICE文件进行对比，若对比结果不相等，则回去修正L-Edit或S-Edit的图直到验证无误为止，这样软件的设计就算完成了之后把版图生成的文件送到工厂，由工厂负责加工批量生产 [3]图2-1 Tanner设计流程图3 运算放大器设计基础3.1运放的主要性能指标1. 直流增益 运算放大器的直流增益是设计运放过程中最重要的一个性能指标因为我们设计的目的就是要进行放大，因此直流增益尤为重要电路的直流增益即电路的放大倍数，计算公式为： （3-1）2．单位增益带宽单位增益带宽是运算放大器的单位增益为1时单位增益带宽这也有着一些条件：反馈网络中不能包含频率分量，而且在单位增益带宽频率范围内只能包含一个极点在电路设计仿真过程中，在增益的幅频特性曲线中可以直接观察得到单位增益带宽3. 功耗由于越来越多运算放大电路应用于便携式设备以及电池电源供电，电路的功耗就值得关注了。

特别是现在的笔记本电脑，由于发热以及工作时间等问题，对电脑性能有一定的影响，也对使用者引起一些不方便所以减小功耗能够使得系统更加精简，也使得电源的寿命更长久，而且也能使得芯片在一个适当的温度下工作4. 噪声与失调运放的输入噪声和失调确定了能被合理处理的最小信号电平在常用的运放电路中，许多器件由于必须用大的尺寸或大的偏置电流都会引起噪声和失调噪声与功耗速度和线性度之间是相互制约，是一个重要的参数5. 输出摆幅输出摆幅即输出信号的幅度范围现在使用运放的系统要求大的电压摆幅以适应大范围的信号值例如，能响应管弦乐队音乐的高质量的话筒可以产生的瞬时电压范围大于四个数量级所以对大摆幅的需求使全差分的运放使用相当普遍但是，由于对于运算放大电路，最大的电压摆幅与器件尺寸、偏置电流、速度之间，其性能指标是相互制约、可以互换的这对于运放设计而言，大的摆幅是一个很重要的课题6. 转换速率与建立时间转换速率是测量输出信号的最大斜率变化的量，其定义为放大电路在闭环状态下，输出为大信号时，放大电路输出电压对时间的最大变化率转换速率反映了运放的大信号瞬态特性对于任意波形的信号，如果其最大变化速率小于运放的转换速率，运放就能无失真地输出相应波形。

建立时间即当运放闭环负反馈结构时，在限定输出负载并输入阶跃信号的条件下，将输出电压从输入信号阶跃时起至输出电压上升到稳定值的误差容限内所需的时间7. 相位裕度相位裕度也是集成运放设计中的一个重要性能指标，主要是用来衡量反馈系统的稳定性一般情况下，运算放大器的相位裕度要求不低于45度，在Tanner中可以直接输出相位特性8. 线性开环运放有很大的非线性，非线性问题可以通过两种办法解决一种是采用全差动实现方式以抑制偶次项谐波：另一种提供足够高的开环增益以使闭环反馈系统达到所要求的线性9. 输入阻抗运放输入阻抗系由运放两输入端向运放方向视入的交流电阻运放输入阻抗受制于输入级的结构和工艺的不同而不同输入阻抗的大小，直接影响到运放输入级接收差模输入激励信号的比例电压放大器，输入阻抗越大越好10. 输出阻抗开环条件下，将输入端短路，运放输出端视为。