全差分cmos运算放大器的设计毕业设计

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1、 CMOS运算放大器的设计 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：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成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕

2、业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保

3、留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目录第一章 绪论41.1设计平台及软件介绍41.1.1 PSPICE简介41.1.2 L-Edit简介41.1.3 Cadence OrCAD Capture简介41.2 设计方法51.2.1CMOS运算放大器设计方法51.2.2运算放大器的性能优化5第二章 全差分运算放大器基础72.1 MOS器件基本特性72.1.1

4、 MOSFET的结构和大信号特性72.1.2 MOSFET的小信号模型82.2运算放大器概述92.3全差分运算放大器特点10第三章 CMOS模拟运放设计123.1设计目标123.2电路结构分析123.3.1 输入级设计133.3.2电流镜电路143.3.3偏置电路153.3.4 输出级163.3.5 整体电路16第四章 运放参数的模拟与测量184.1瞬态分析184.2 温度特性194.3输出阻抗204.4交流特性分析215.1版图设计基础225.1.1设计流程225.1.2 L-edit中的版图设计235.2 版图设计245.3版图参数的提取并仿真255.3.1版图参数的提取和修改255.3.

5、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：301、原理层次仿真代码（偏置电压由直流电压直接替代）302、MOS分压电路中MOS宽长比确定电路313、最终Pspice仿真代码32二、版图生成代码33三、版图修改代码36 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

6、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

7、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

8、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；

9、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N

10、MOS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。当时，器件饱和区，这里的，与分别指MOS管的漏源电压、栅源电压和阈值电压。实际上，在MOS运放设计中，大部分的MOS管都是工作在饱和状态，因为对于给定的漏极电流和器件尺寸来说，工作在饱和区可以提供稳定的电流和比较大的电压增益。在饱和区，MOS器件的漏极电流和栅源电压的关系由下式决定： 式中uN为NMOS沟道中电子迁移率，COX为栅氧化区单位面积电容，W为有效沟道宽度，L是有效沟道长度，KN为NMOS管的导电因子。在模拟电子电路中，MOSFET的跨导gm是一个重要的

11、参数。根据上式可求得MOSFET在饱和区静态工作点处的小信号跨导： 或者 可见MOSFET的饱和区的跨导不仅与它的工作电流有关，而且可通过选择器件尺寸加以改变。正因为如此，使MOS模拟IC的设计更为灵活。2.1.2 MOSFET的小信号模型 当NMOS管在直流偏置作用下工作于饱和区时，其交流小信号等效模型如下图所示，在电路计算中，由MOS管的大信号模型算出电路的静态工作点后，就必须由小信号等效模型来分析电路。小信号模型是能简化计算工作的线性模型，它是在一定的电压电流下有效，它的各项参数依赖于大信号模型参数和直流变量。图2.3：MOSFET的小信号模型 上图列出手工设计时的简化等效电路模型，各参

12、数定义如下：栅-衬底电容和源-衬底电容；、 、栅-漏电容； 饱和区跨导： 令 可以表示为： 输出电阻为： 输出电阻影响模拟电路的许多特性，例如，它限制着大多数放大器的最大电压增益。在简化的手工分析中，可以使用近似表达式： 2.2运算放大器概述运算放大器是模拟电路设计中用途最广/最重要的部件，大量的具有复杂程度的运放被用来实现各种功能：从直流偏置产生到高速放大或滤波。运算放大器是具有足够正向增益的放大器（受控源），当加负反馈时，闭环传输函数与运算放大器的增益几乎无关。利用这个原理可以设计出很多有用的模拟电路和系统。对运算放大器最主要的一个要求是有一个足够大的开环增益以符合负反馈的概念。单级放大器

13、大多没有足够大的增益，因此多数CMOS运放采用两级或多级增益。最常用的运算放大器之一是两级运算放大器，下图为最常用的两级运算放大器的框图。 图2.4：运算放大器的基本结构 上图描述了运算放大器的重要组成部分，CMOS运算放大器在结构上非常类似于双极型运算放大器。输入级主要作用是放大差模输入信号，由差分放大电路组成，有时会提供一个差分到单端的转换，利用它的对称性可以提高整个电路的共模抑制比，可以改善噪声和失调性能，且具有很强的抗干扰能力，并具有温度漂移下、级间易直接耦合。增益级这一级的主要作用是提高电压的增益，如果差分输入级没有完成差分到单端的转换，那么这个工作应该由这级来完成。输出级输出级一般

14、由源极跟随器或推挽放大器组成，用于降低输出阻抗，维持大的信号摆幅。偏置电路主要用于为每只晶体管建立适当的静态工作点。 补偿电路在运算放大器中加负反馈，用以保持整个电路工作的稳定。 2.3全差分运算放大器特点现代模拟集成电路中，高性能的运放多采用全差分形式。所谓全差分运放，指的是输入输出均为差分形式的运算放大器。全差分运放同普通的单端输出运放相比，有以下几个优点： 1. 全差分运放具有低噪声特性，由于全差分运放电路的结构完全对称，因而在理想情况下，外部噪声对运放的两条信号通路所产生的影响完全相同。在实际电路中，外部噪声对不同的信号通路的影响不可能是完全相同的。因此，全差分运放虽然能够抑制噪声，但也只能是抑制共模噪声，对差模噪声全差分也无能为力。然而，相对于单端输出的运